4o
August说:
当值为函数时,对象的键值对通常称为属性或方法。本体论的意义上,这是否说明了不同高级语言中函数和方法的根本差异?而在横向对比不同语言例如python js和c c++时,我们往往将其类比以体现相似性,这种相似性是否只是功能上的、或者说都可以运用一些系统的算法和数据结构(尽管实际实现机制、性能有差异),从而让初学者困扰?
ChatGPT 说:
ChatGPT
你的问题涉及编程语言设计的哲学层面以及初学者学习的认知问题,非常深刻。以下从本体论意义、语言实现的差异性和初学者困惑三个方面进行分析。
1. 本体论的意义:函数 vs 方法
在编程语言中,函数和方法是相关但不同的概念:
- 函数:独立存在,可以接受输入(参数),产生输出(返回值),不依赖于特定的对象。
- 方法:是附属于某个对象或类的函数,通常在调用时隐式地接受所属对象作为第一个参数(如
self
或this
),以操作或访问该对象的属性和行为。
本体论差异在于:
- 函数本质上是一种数学意义上的映射,独立于任何上下文。
- 方法则内化为对象的一部分,是对象行为的体现。它与对象的属性(数据)结合,形成“行为+数据”的封装。
不同语言的实现差异:
- Python:方法绑定到实例或类,调用时自动传递实例或类本身(如
self
或cls
)。 - JavaScript:方法是函数的动态绑定,调用时基于
this
的上下文决定具体操作。 - C/C++:方法(成员函数)与对象结合,通过隐式传递的
this
指针操作对象。 - 纯C函数:仅仅是地址上的操作,没有绑定的上下文。
结论:语言对方法的定义和处理在本体论上是相似的,但具体实现方式(如内存模型和绑定机制)可能存在较大的技术差异。
2. 不同语言间的相似性和差异性
不同语言的设计哲学导致了实现的细微差别,但它们在功能上有一定的相似性。以下是常见的对比:
特性 | Python | JavaScript | C | C++ |
---|---|---|---|---|
方法绑定 | self 明确传递 |
动态绑定 this |
无直接方法概念 | this 隐式传递 |
实现机制 | 解释性语言,动态类型 | 解释性语言,动态类型 | 静态类型,直接函数调用 | 静态类型,虚函数通过 V-Table 实现 |
可扩展性 | 动态添加方法 | 动态添加属性和方法 | 函数不可绑定对象 | 静态类方法或虚拟继承动态绑定 |
相似性带来的便利:
- 不同语言共享类似的设计理念(如对象、方法的概念),这使得跨语言学习时可以借助类比。
- 初学者可以通过功能上的类比理解,例如“C++ 方法类似于 Python 的类方法,但需要明确类型”。
差异性导致的挑战:
- 实际实现差异可能引发混淆。例如,初学者会疑惑“为什么 JavaScript 的
this
会根据调用上下文变化,而 Python 的self
是固定的?”。 - 不同语言对底层机制的抽象程度差异,使得“表面上相似”的特性可能在性能、使用限制上有很大区别。例如,C++ 虚函数的性能消耗比 Python 的动态方法绑定小得多。
3. 初学者的困惑:功能相似但实现不同
初学者的困惑往往源于以下原因:
- 过于抽象的类比:
- 老师或教程会使用“类比”方式解释语言特性。例如,“Python 的类方法和 JavaScript 的类方法类似”,但忽略了它们在底层实现、作用域控制上的重要差异。
- 类比可能适合解释概念,但不适合深入理解具体实现。
- 缺乏底层机制的直观感知:
- 对于 Python 等动态语言,初学者通常不会接触到方法绑定的底层实现,因此可能对语言中“为什么这样工作”感到困惑。
- 在 C 或 C++ 中,初学者面对函数指针、虚函数表等概念时,可能更难理解它们与动态语言“类比”特性的关系。
- 过早关注“性能差异”:
- 初学者可能受到“C 快,Python 慢”之类的描述误导,而未能理解这些性能差异是由底层机制决定的,而不是语法上的不同。
4. 如何应对初学者困惑?
以下方法可以帮助初学者更清晰地理解函数和方法:
- 强调“概念统一性”: 函数和方法的核心是操作数据和行为。可以引导学生从设计模式、系统架构的角度理解为什么有“独立函数”和“绑定方法”的设计。
- 补充底层机制: 在介绍语言特性时,可以适当补充底层机制。例如:
- Python 的方法绑定如何通过
__dict__
和__slots__
实现。 - C++ 虚函数表的构造和动态绑定的效率问题。
- Python 的方法绑定如何通过
- 鼓励语言特性的对比实验: 通过实际代码对比,如在 Python 和 C++ 中实现类似功能的类和方法,帮助学生感知两种语言的实现差异。
总结
函数和方法在本体论意义上有明确的区分,具体到不同语言,其实现方式差异化了它们的行为。跨语言类比是理解语言特性的好方法,但需要结合底层实现的讲解以消除初学者的误解。通过引导学习者从“概念—功能—实现”的路径逐步深入,能够更好地掌握编程语言中的核心思想和技术细节。
4o
August说:
在C++ Primer 第7版中,函数被定义为“有名字的计算单元”,尽管从C++11开始也支持“匿名函数”即lambda表达式,请分析这一定义的内涵、是否适合初学者学习、是否严谨?
ChatGPT 说:
ChatGPT
分析定义内涵
“函数是有名字的计算单元”的定义具有以下内涵:
- “计算单元”:
- 函数封装了一段逻辑,用于完成特定的计算或任务。
- 它接受输入(参数),执行逻辑(函数体),并返回结果(返回值),因此可视为程序的基本构建模块。
- 这一部分本质上定义了函数的功能性和操作性,契合数学上“函数”的概念。
- “有名字”:
- 传统的函数在声明时需要一个标识符(名称)来引用,这使得它们易于复用和调用。
- 函数的名称作为程序设计中的符号抽象,为理解代码提供了语义化标记。
- 传统观念的体现:
- 在 C++98 及之前的语言标准中,所有函数都必须有名字,因此“有名字”成为函数的重要特征。
与 C++11 及之后的标准的契合性
从 C++11 开始,语言引入了 匿名函数(lambda 表达式),即:
- 无名字:lambda 表达式可以直接定义并作为值传递,而无需显式命名。
- 灵活性:支持局部定义、捕获局部变量、直接作为参数传递。
例子:
cpp复制代码auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
std::cout << add(2, 3) << std::endl;
这种特性违背了“有名字”的定义,但 lambda 表达式依然是“计算单元”,它将代码块封装为一个可调用的实体。这表明:
- “有名字”不再是 C++ 函数的必要属性。
- 这一定义未能涵盖语言发展的新特性。
是否适合初学者学习?
对于初学者而言,这一定义的优缺点如下:
优点
- 简洁易懂:对于初学者,强调“函数是有名字的计算单元”提供了清晰的初步印象,有助于理解函数的基本用途。
- 强化复用性:突出“有名字”的特性能够帮助初学者认识到函数的意义之一是提高代码的复用性和可读性。
缺点
-
忽略匿名函数的存在:
- 如果不解释匿名函数的特性,初学者可能会误解函数必须有名字,进而在学习 lambda 表达式时产生认知矛盾。
- 现代 C++ 中,匿名函数越来越常见(例如在 STL 算法中传递操作逻辑),这部分知识不可忽视。
-
不够严谨:
- 严格来说,C++ 中函数的本质是“可调用的计算单元”,名称只是其中一种特性,匿名函数通过闭包机制实现了无名字的调用。
- 对于初学者而言,使用不严谨的定义可能导致误解,甚至延迟对 lambda 和函数指针等高级特性的学习。
定义的严谨性
优势
- 定义符合早期 C++ 标准的语义,在没有匿名函数特性的环境下完全合理。
- 提供了函数作为代码封装工具的基本视角。
不足
- 忽略匿名函数:
- Lambda 表达式在语法上属于函数的范畴,但不需要名字,因此“有名字”不再是普适性的描述。
- 未体现函数的本质:
- 函数的本质是“封装计算逻辑的可调用单元”。“有名字”是一种实现方式,但不是必需属性。
- 更严谨的定义可能是:函数是封装计算逻辑的可调用实体,能够接收输入并返回输出。
- 未涵盖函数对象:
- C++ 提供了更广泛的可调用形式(例如函数对象
std::function
),这些形式与传统函数并不完全相同,但功能等价。
- C++ 提供了更广泛的可调用形式(例如函数对象
改进建议
对于初学者,可以在教学中结合传统函数和现代匿名函数的特点,提出更准确的定义。例如:
函数是一个可调用的计算单元,能够接受输入并返回输出。它可以有名字(如普通函数)也可以没有名字(如 lambda 表达式)。
- 初学阶段:以“有名字的计算单元”为主,强调其复用性和封装性。
- 进阶阶段:补充匿名函数、函数对象等内容,让学习者逐渐理解函数在 C++ 中的多样表现形式。
总结
“函数是有名字的计算单元”这一定义在 C++ 传统语境下适合初学者理解,但随着 C++11 的引入,这一定义存在不严谨之处。现代 C++ 中,函数本质上是“封装计算逻辑的可调用实体”,名字并非必要特征。对于初学者,建议逐步引入匿名函数的概念,同时强调函数作为逻辑封装的核心意义,以帮助他们更全面地理解 C++ 中的函数机制。
4o
August说:
明白了。我是从小从VB 和 C++开始学习程序设计的,在本科首先学习了EE课程和经典C风格C++。请问这是否带来了一种默认的还原论的视角?在之后自学bash python JS 等脚本语言(这一说法本身也值得探讨)和erlang等函数式语言,还有go, java, rust, fortran, 可能分别要做出哪些调整?
ChatGPT 说:
ChatGPT
记忆已更新
你从经典C++的还原论视角出发,再转向其他语言的学习确实可能需要进行一些调整。以下从还原论、语言范式以及具体语言特性三方面分析可能的思维转变和学习方法:
1. 还原论视角的特点和影响
经典C风格的C++强调细粒度的控制,比如内存管理、指针操作和函数调用等,这种还原论的视角有以下特征:
- 关注底层实现:偏重对系统资源(如内存、CPU)的高效利用。
- 强调过程和结构:通过明确的函数和模块组织代码逻辑。
- 对抽象的警惕:倾向于理解“黑箱”背后的具体实现。
这一视角的优点是对底层原理的深刻理解,但在面对现代更抽象、更高效的语言时,可能需要一定的适应。
2. 范式转变的调整
面向过程 → 脚本语言
脚本语言(如Bash、Python、JavaScript)强调开发效率和动态性,对过程式编程的要求较低:
- 调整目标:从“如何优化底层实现”转向“如何快速实现功能”。
- 接受动态类型:与C++严格的类型检查不同,脚本语言往往使用动态类型系统,你需要习惯更灵活但潜在更多错误的编程方式。
- 工具优先:脚本语言常用于自动化和工具开发,要更多关注库、框架的使用而非语言本身。
面向过程 → 函数式语言
函数式语言(如Erlang)强调纯函数、无副作用和并发处理:
- 抛弃副作用思维:从“函数如何操作数据”转变为“函数如何返回值”。
- 学会递归:函数式语言中递归常替代循环,初学可能有些不适应。
- 拥抱不可变性:从数据修改的思维转向数据生成的新模式。
面向过程 → 面向对象
Go、Java等强调面向对象的语言需要从过程式思维中转向“对象的行为与数据”的封装:
- 理解类与对象:把功能封装进类中,通过对象调用方法,而不是单独的函数。
- 习惯垃圾回收:抛弃对内存管理的细粒度控制,接受自动化的资源管理方式。
低级控制 → 高级抽象
Rust和现代Fortran则是介于底层控制与高级抽象之间的语言:
- 安全性优先(Rust):从手动内存管理转向对“所有权”系统和“借用检查器”的理解。
- 数值计算抽象(Fortran):从通用编程视角转向对矩阵计算和科学计算的优化思维。
3. 语言的特性调整
语言 | 调整方向 |
---|---|
Bash | 学习如何编写小而精的脚本,习惯管道操作和单行命令。接受动态变量类型的简单模型,不关注复杂逻辑结构。 |
Python | 注重代码的简洁性和库的使用,不需像C++那样关注底层实现,更多地依赖第三方库和生态系统来快速开发。 |
JS | 学习异步编程(如Promise和async/await),接受其动态类型和灵活性。对事件驱动模型有所理解。 |
Erlang | 理解Actor模型,用消息传递替代共享内存并发,适应分布式系统的开发思维。 |
Go | 学习简单的面向对象风格,以及goroutine和channel并发模型。放弃对复杂继承结构的依赖,适应简化后的工具式思维。 |
Java | 深入面向对象思想,关注类的设计和继承模型;同时理解Java的垃圾回收机制和JVM对语言运行的影响。 |
Rust | 学习所有权和借用的静态分析机制,适应安全与高效平衡的编程模式。放弃对悬垂指针和数据竞争的容忍。 |
Fortran | 适应针对科学计算优化的编程模式,理解其数据结构(如数组和矩阵)的内置特性和计算效率。 |
4. 实践建议
- 理解语言的设计哲学: 每种语言的设计都有其独特的目标(性能、安全性、开发效率等)。尝试站在语言设计者的角度理解“为什么要这样设计”。
- 结合实际项目学习: 对每种语言选择一个适合其特性的项目。例如:
- 用Python写数据分析工具。
- 用Rust开发性能敏感的服务。
- 用JavaScript搭建前端交互。
- 拥抱多范式编程: 现代语言往往是多范式的(如Python支持面向对象和函数式),尝试从不同范式中汲取灵感。
- 保留还原论的优势: 尽管需要做出调整,但还原论的视角是你的优势。在学习新语言时,不妨通过底层机制(内存管理、运行时等)的对比深化理解。
总结
你的经典C++教育背景为后续学习打下了扎实的基础,但面对脚本语言、函数式语言和现代抽象语言,需要调整目标、思维和实践方式。通过结合语言特性和实际需求,你可以在多种语言范式之间自由切换,进一步提升编程技能。
4o
August说:
很有启发,谢谢。但我目前依然很不理解为什么函数连名字都可以丢弃,这样的应用场景和设计方法论是怎样的呢?哪些语言哪些场合会对匿名函数有刚性需求、或是最佳实践是匿名的?
ChatGPT 说:
ChatGPT
匿名函数(Anonymous Function)的设计初衷和应用场景主要体现在编程语言的进化和现代软件开发对简洁性、灵活性和高效性的追求中。下面从设计方法论、语言支持、实际应用场景和最佳实践四个方面,详细分析为什么函数可以没有名字,以及这种设计在实际中如何体现价值。
1. 匿名函数的设计方法论
1.1 最小必要抽象
- 传统函数的约束:
- 需要显式命名、定义并在上下文中调用,这适用于需要长期维护或多次调用的功能。
- 匿名函数的简化:
- 如果某段逻辑只在局部使用,命名就显得多余。匿名函数可以避免为一次性逻辑强制创造语义化名字,减少代码复杂度。
- 强调“行为”而非“身份”,关注逻辑本身而不是其定义方式。
1.2 函数即值的思想
- 匿名函数体现了“函数是一等公民”的编程哲学:函数可以作为值被传递、存储和操作,就像整数或字符串一样。
- 这种思路在函数式编程中尤为突出,比如高阶函数可以直接接受或返回匿名函数。
1.3 代码表达力的提升
- 匿名函数是简洁代码表达的一部分,可以减少样板代码(boilerplate)。
- 在语言设计中,匿名函数与闭包结合(捕获上下文变量)能够实现更强大的灵活性。
2. 语言对匿名函数的支持
语言 | 匿名函数的实现 | 特性 |
---|---|---|
Python | lambda x: x**2 |
简单但功能有限,仅支持单表达式。 |
JavaScript | const add = (a, b) => a + b |
箭头函数语法简洁,结合回调和异步操作非常常用。 |
C++ | auto add = [](int a, int b) { return a + b; }; |
支持捕获上下文变量的闭包,非常适用于STL中的算法和并行操作。 |
Erlang | fun(X) -> X * X end. |
作为函数式语言的基础特性,匿名函数与消息传递和Actor模型结合效果显著。 |
Java | (a, b) -> a + b |
通过Lambda表达式简化了接口实现,尤其在函数式接口和流处理(Streams)中常用。 |
Go | add := func(a, b int) int { return a + b } |
支持匿名函数,可与Go的并发模型结合,简化goroutine逻辑。 |
Rust | `let add = | a, b |
3. 匿名函数的应用场景
3.1 高阶函数和回调
-
场景:在需要传递一段逻辑时,匿名函数可以避免显式定义函数的冗长。
- 示例(Python):
python复制代码numbers = [1, 2, 3, 4] squares = map(lambda x: x**2, numbers) print(list(squares)) # 输出 [1, 4, 9, 16]
- 设计理念:匿名函数直接作为参数传递给高阶函数(如
map
),无需额外定义。
3.2 事件驱动和异步编程
-
场景:在JavaScript中,处理用户事件、网络请求等异步操作时,匿名函数能简化逻辑。
- 示例(JavaScript):
javascript复制代码document.addEventListener('click', () => { console.log('Button clicked'); });
- 设计理念:避免为短生命周期的逻辑创建额外的命名空间。
3.3 临时操作逻辑
-
场景:在需要快速完成一段一次性的计算时使用匿名函数。
- 示例(C++):
cpp复制代码std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4}; std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(), [](int n) { std::cout << n * n << std::endl; });
- 设计理念:匿名函数结合STL算法,提升表达力和简洁性。
3.4 闭包捕获局部变量
-
场景:需要保存上下文状态的逻辑,匿名函数结合闭包使用。
- 示例(Rust):
rust复制代码let factor = 2; let multiply = |x| x * factor; println!("{}", multiply(5)); // 输出 10
- 设计理念:闭包能够捕获环境变量,使匿名函数更具灵活性。
4. 最佳实践场合
4.1 何时使用匿名函数
- 逻辑较短:匿名函数适用于逻辑短小、仅用于局部范围的场合。
- 避免命名冲突:当逻辑仅为一次性用途时,避免创建不必要的全局命名。
- 高阶函数配合:例如回调函数或组合函数链(如JavaScript的
reduce
或Python的sorted
)。
4.2 何时避免匿名函数
- 复杂逻辑:匿名函数不适合包含复杂逻辑的场景,应使用显式命名的普通函数。
- 需要多次复用:如果逻辑需要多次调用,显式函数定义更合适。
- 难以调试:匿名函数由于无名,可能在栈追踪和调试信息中难以识别。
5. 总结:匿名函数的哲学
匿名函数的核心价值在于:
- 简洁性:减少样板代码,使代码更紧凑。
- 局部化:强调逻辑的局部性,避免全局污染。
- 灵活性:支持作为值传递或闭包捕获。
从设计方法论来看,匿名函数体现了“用最小的语法完成指定任务”的现代编程思想。在实际开发中,其最佳应用场合是在逻辑简单、局部性强、与高阶函数或闭包结合的场景下。
4o
August说:
那么作为对比,传统编程范式下,样板代码是怎么样的,比如对某类功能的大量雷同的过程性实现吗?函数又为什么说不是一等公民,变量才是吗?
ChatGPT 说:
ChatGPT
1. 传统编程范式下的样板代码
1.1 样板代码的定义
样板代码(Boilerplate Code)指的是为了实现某个功能,不得不重复编写的大量代码结构。这些代码通常在逻辑上高度相似,但语言设计或工具不足导致无法简化。
1.2 传统编程范式中的样板代码
在过程式编程和早期面向对象编程中,样板代码通常表现为:
- 重复的过程实现:需要多次实现类似的逻辑,不能动态生成。
- 缺乏抽象的函数调用:逻辑操作必须显式展开,导致代码冗长。
- 显式资源管理:需要手动分配和释放资源(如内存、文件句柄)。
- 模块/对象初始化的繁琐过程:在面向对象语言中,实例化对象往往需要重复性的配置代码。
示例 1:C 风格代码中的重复逻辑
c复制代码void print_integers(int* arr, int size) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
printf("%d\n", arr[i]);
}
}
void print_floats(float* arr, int size) {
for (int i = 0; i < size; i++) {
printf("%f\n", arr[i]);
}
}
在这里,print_integers
和 print_floats
的逻辑几乎完全相同,但类型限制导致必须重复编写。
示例 2:Java 早期的对象初始化
java复制代码Connection conn = null;
try {
conn = DriverManager.getConnection("url", "user", "password");
Statement stmt = conn.createStatement();
ResultSet rs = stmt.executeQuery("SELECT * FROM table");
while (rs.next()) {
System.out.println(rs.getString("column"));
}
} finally {
if (conn != null) conn.close();
}
这段代码展示了早期 Java 中数据库操作的标准样板,需要显式处理连接的生命周期。
2. 函数不是一等公民
在许多传统语言中(如 C 和早期 C++),函数并不被视为“一等公民”(First-Class Citizen)。这是因为函数缺乏一些可以赋予其“独立地参与程序结构”的能力。
2.1 什么是一等公民?
“一等公民”是指某种语言结构满足以下条件:
- 可以赋值给变量。
- 可以作为函数的参数传递。
- 可以作为函数的返回值。
- 可以动态地创建、销毁或操作。
2.2 函数的限制
在传统编程语言中,函数的行为受到以下限制:
-
C语言
:函数只能通过指针间接传递,但无法直接赋值给变量;函数也不能在运行时动态创建。
c复制代码int add(int a, int b) { return a + b; } int (*func_ptr)(int, int) = &add; // 通过函数指针调用,但不能直接操作函数本身
-
早期C++:不支持函数作为对象,只能通过函数指针或成员函数调用。
相比之下,变量是完全的一等公民,可以存储任意值、在运行时动态操作,因此在传统语言中显得更为基础。
3. 函数作为一等公民的语言改进
3.1 支持函数作为值
现代语言(如 Python、JavaScript)允许函数直接赋值给变量。
python复制代码def add(a, b):
return a + b
func = add # 函数赋值给变量
print(func(1, 2)) # 调用变量时相当于调用函数
3.2 高阶函数
支持函数作为参数和返回值,是一等公民的重要标志。
javascript复制代码function applyOperation(a, b, operation) {
return operation(a, b);
}
console.log(applyOperation(3, 4, (x, y) => x + y)); // Lambda 表达式直接传递
3.3 匿名函数和闭包
匿名函数的引入提升了函数的灵活性,使得函数的定义和使用更加紧密。闭包则进一步扩展了函数对上下文的访问能力。
python复制代码def multiplier(factor):
return lambda x: x * factor # 返回一个匿名函数
double = multiplier(2)
print(double(5)) # 输出 10
4. 匿名函数消除样板代码的场景
匿名函数对样板代码的减少,主要体现在以下场景:
4.1 高阶函数的动态逻辑
无需显式定义每个小逻辑,直接内联传递。
python复制代码# 不用定义额外的函数名
print(list(map(lambda x: x**2, [1, 2, 3, 4]))) # 输出 [1, 4, 9, 16]
4.2 事件驱动编程
在 JavaScript 的事件监听中,匿名函数使得处理逻辑与事件绑定更加直接:
javascript复制代码button.addEventListener('click', () => {
console.log('Button clicked');
});
4.3 一次性逻辑的轻量封装
匿名函数特别适合处理“一次性逻辑”,避免为不复用的代码命名:
cpp复制代码std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(), [](int n) {
std::cout << n * n << std::endl;
});
5. 函数与变量的关系:函数也可以是“变量”
现代编程语言通过将函数提升为一等公民,消除了函数与变量之间的本质差异。函数作为值被传递或操作时,事实上就成为了“变量”。
- 函数作为变量的本质:函数是一段逻辑的封装,而变量是一个存储空间。函数成为变量时,它存储的内容是指向逻辑实现的引用。
- 从“变量优先”到“逻辑优先”:早期语言关注“数据”的存储和处理,现代语言更关注逻辑的抽象和表达,函数成为第一公民正是这种思想转变的体现。
总结
传统编程范式下,样板代码多源于重复性操作和语言设计的限制(如显式资源管理、类型限制)。函数在这些语言中并非一等公民,更多是逻辑的辅助工具,无法像变量一样灵活操作。随着语言的发展,函数逐渐被提升为一等公民,这种改变让编程更关注逻辑本身,同时减少了冗长的样板代码。匿名函数正是这一转变的重要体现,适用于动态、临时和内联逻辑的场景,使代码表达更自然、更高效。
4o
August说:
了解了。那么在HPC领域,在今天似乎依然可见普遍使用传统方式编程的实现,反映出逻辑优先的范式仍难以胜任高性能要求的任务,这是本质上难以调和的还是有可能随着发展解决的呢?
ChatGPT 说:
ChatGPT
在高性能计算(HPC)领域,传统方式编程的广泛使用确实反映了逻辑优先范式(如动态语言和函数式编程)在满足极高性能要求时的局限性。要理解这种现象以及是否可能被调和,需要从以下几个方面进行分析:
1. 传统方式编程在 HPC 的优势
1.1 性能优先
- 低开销:传统语言(如 C 和 Fortran)接近硬件层面,优化空间大,运行开销小。
- 显式控制:程序员可以直接控制内存分配、数据布局、并行执行等,避免运行时的动态检查和垃圾回收带来的性能损失。
- 高效并行:传统方式能够直接使用 MPI、OpenMP 等并行库,高效分配任务到多核或多节点系统。
1.2 成熟生态
- HPC 领域积累了大量基于传统语言的优化算法、库(如 BLAS、LAPACK)和工具,这些工具针对特定硬件(如 GPU 或 FPGA)进行了深度优化,很难用高抽象的逻辑优先语言替代。
2. 逻辑优先范式的局限性
2.1 抽象的开销
- 运行时动态性:许多逻辑优先语言依赖运行时的动态类型检查和内存管理(如垃圾回收),这些特性在 HPC 场景中会显著降低性能。
- 通用性限制:高度抽象的语言设计通常面向通用开发,而 HPC 需要对硬件特性(如缓存行为、向量化指令)进行精细控制。
2.2 并行支持不足
- 逻辑优先语言的并行模型(如 Python 的
multiprocessing
)通常难以充分利用硬件资源,而传统编程方式能直接针对多核、多节点进行高效分布式并行。
3. 能否调和:现状与发展潜力
尽管传统方式编程在 HPC 中占主导地位,但逻辑优先范式在某些领域已经展现了逐渐取代或调和的潜力。
3.1 现代语言的发展方向
许多现代语言正在借鉴传统方式的设计,增强高性能支持。例如:
- Julia:
- 高性能动态语言,采用 LLVM 编译器生成接近 C 的高效机器代码。
- 支持并行和分布式计算,并提供与传统语言库的接口。
- Rust:
- 通过所有权系统和零成本抽象提供了内存安全与性能的平衡。
- 可用于开发 HPC 应用,同时避免传统 C/C++ 的悬垂指针和数据竞争问题。
3.2 硬件与框架的抽象化
硬件发展的趋势可能使得逻辑优先范式更容易接近 HPC 性能:
- 异构计算框架:
- CUDA、SYCL 等工具将硬件特性封装,使得编程语言无需直接控制硬件。
- 高抽象语言可以通过绑定接口调用这些工具实现高性能。
- 硬件加速器抽象:
- AI 领域的 TPU、FPGA 等硬件已经通过逻辑优先语言(如 TensorFlow)调用,未来这类抽象可能扩展到更多 HPC 应用中。
3.3 语言与硬件协同优化
一些高抽象语言尝试通过硬件协同优化实现高性能:
- 编译器优化:如 JIT(Just-In-Time)技术根据运行时环境动态生成高效代码。
- 领域专用语言(DSL):如 Halide 和 TensorFlow,这些语言为特定领域提供了逻辑优先的开发方式,但生成的代码能匹配传统 HPC 的性能。
4. 潜在瓶颈:本质性问题仍存
4.1 抽象的不可避免开销
即使逻辑优先范式的编译器和框架不断改进,其动态性和泛化设计带来的开销在某些场景下仍然不可避免。
- 例如,垃圾回收和动态类型检查在许多 HPC 应用(如实时仿真)中仍是性能瓶颈。
4.2 开发者习惯和工具链
- HPC 开发者习惯于使用传统工具链,而逻辑优先语言尽管在性能上接近传统编程,但迁移成本较高。
- 许多关键 HPC 应用(如天气预报和分子动力学仿真)依赖于经过数十年优化的传统代码,替换难度大。
4.3 硬件特性的复杂性
- 如 GPU、FPGA 的并行计算特性要求对数据布局和线程分配有精细控制,这种需求可能限制逻辑优先范式的通用性。
5. 是否能够调和?
5.1 短期来看
在 HPC 核心任务中(如气象模拟、粒子物理仿真),传统方式编程仍然是不可替代的。逻辑优先范式在短期内难以完全调和这一矛盾。
5.2 长期可能
- 硬件抽象化的进步(如量子计算机和 AI 芯片的普及)可能减少对底层优化的需求。
- 高抽象语言与硬件的协同优化(如 Julia 和 Rust 的崛起)可能推动逻辑优先范式在 HPC 中更广泛使用。
6. 结论
传统编程方式在 HPC 中的主导地位是由高性能要求和硬件特性决定的。逻辑优先范式在某些场景已经开始展现潜力,但本质上的冲突(如抽象开销和性能需求的矛盾)仍需时间和技术突破解决。未来可能出现更多的混合模式:逻辑优先语言用于控制和任务分配,而传统语言用于关键性能优化。这种结合或许是长期解决方案的一部分。
4o
August说:
是的,目前常见的方案是通过slurm python bash来做控制和资源调度,业务代码(主要逻辑、库)用cuda、c、汇编编写,这是业内的最佳实践吗
ChatGPT 说:
ChatGPT
是的,目前 Slurm + Python/Bash 控制与资源调度,加上 CUDA、C、汇编编写核心业务逻辑 的模式,确实是高性能计算(HPC)领域的主流实践之一。这种组合利用了工具和语言各自的长处,实现了性能和易用性的平衡。以下是对这种实践的分析:
1. 分工明确的架构设计
这种方案中,各层次的工具和语言有明确的分工:
1.1 控制层:Slurm + Python/Bash
- Slurm:
- 功能:负责资源调度和任务管理,分配节点、队列、内存、GPU 等资源。
- 特点:强大的调度算法和灵活的配置支持 HPC 的大规模任务管理。
- Python/Bash:
- 功能:实现任务脚本的灵活编排,方便用户定义作业逻辑(如循环提交作业、依赖管理)。
- 特点:语言简洁、开发快速,适合动态生成或调整作业脚本。
1.2 计算层:CUDA、C、汇编
- CUDA:
- 功能:针对 GPU 的并行计算任务,实现数据密集型和高并发的计算逻辑。
- 特点:提供直接访问 GPU 的线程管理和内存控制,性能优异。
- C:
- 功能:编写与硬件贴近的高效逻辑,完成核心数值计算和底层优化。
- 特点:成熟稳定,易于集成,具有丰富的 HPC 库(如 BLAS、LAPACK)。
- 汇编:
- 功能:针对关键性能瓶颈(如内核函数)进行手动指令级优化。
- 特点:适合在极端性能要求下使用,通常仅限于最小化部分代码。
2. 为什么这是最佳实践?
2.1 资源调度的复杂性
HPC 集群通常包含异构计算资源(如 CPU、GPU、FPGA),任务分配需要复杂的调度机制:
- Slurm 提供灵活的任务调度能力,支持依赖管理(作业完成后自动触发下一个任务)、公平分配资源等功能。
- Python/Bash 通过脚本编排能够快速适应任务需求的变化,例如动态调整作业参数。
2.2 语言与工具的强适配性
- Python/Bash:适合与 Slurm 的命令行接口交互(如
sbatch
提交作业),并易于实现动态逻辑。 - CUDA 和 C:在数值计算、矩阵运算等领域提供了最佳性能。
- 汇编:在需要手动优化的关键代码段上提供了极致控制能力。
2.3 性能与开发效率的平衡
- Python 和 Bash 减少了控制层开发的复杂性。
- CUDA 和 C 提供了硬件级性能优化能力,确保计算核心的高效运行。
3. 实践中的优化点
3.1 混合编程的优势
- CUDA + C:CUDA 通常与 C 结合使用,C 负责大部分逻辑控制,CUDA 负责 GPU 核心计算。
- Python 调用 C/CUDA:通过 Python 的 C 扩展(如 Cython 或 ctypes)调用底层 C 或 CUDA 函数,实现高层逻辑的开发效率与底层性能的结合。
3.2 并行与异步优化
- 异步计算:利用 CUDA 流实现 GPU 的异步任务执行,最大化硬件资源利用率。
- 分布式计算:通过 Slurm 管理多节点并行任务,将计算分布在多个 GPU 或节点上。
3.3 性能分析和调优
- GPU 调优工具:使用 NVIDIA 提供的 Nsight Compute 或 Nsight Systems 分析 CUDA 核函数的性能。
- 代码剖析工具:如 Gprof 或 Valgrind 分析 C 代码的运行性能。
- 作业队列优化:合理设置 Slurm 的作业队列优先级,减少等待时间。
4. 典型工作流
以下是一个 HPC 工作流的例子:
4.1 作业脚本(Bash)
bash复制代码#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=my_job
#SBATCH --partition=gpu
#SBATCH --gres=gpu:1
#SBATCH --time=01:00:00
#SBATCH --output=output_%j.log
module load cuda
python my_script.py
4.2 调度逻辑(Python)
python复制代码import os
import subprocess
# 动态生成任务脚本
for i in range(10):
with open(f"task_{i}.sh", "w") as f:
f.write(f"""#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=task_{i}
#SBATCH --gres=gpu:1
python compute.py --param {i}
""")
subprocess.run(["sbatch", f"task_{i}.sh"])
4.3 核心计算逻辑(CUDA + C)
cpp复制代码#include <cuda_runtime.h>
#include <iostream>
__global__ void add_vectors(float* a, float* b, float* c, int n) {
int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
if (idx < n) {
c[idx] = a[idx] + b[idx];
}
}
int main() {
// 初始化数据
int n = 1 << 20;
float *a, *b, *c;
cudaMallocManaged(&a, n * sizeof(float));
cudaMallocManaged(&b, n * sizeof(float));
cudaMallocManaged(&c, n * sizeof(float));
// 启动 CUDA 内核
int blockSize = 256;
int numBlocks = (n + blockSize - 1) / blockSize;
add_vectors<<<numBlocks, blockSize>>>(a, b, c, n);
cudaDeviceSynchronize();
std::cout << "Computation complete!" << std::endl;
cudaFree(a);
cudaFree(b);
cudaFree(c);
return 0;
}
5. 未来的改进方向
尽管这种分层模式是当前的最佳实践,但随着技术发展,可能会出现以下改进:
- 更高层次的抽象工具:如 Julia 在 HPC 中的崛起,通过简化 CUDA 调用和分布式计算配置减少开发复杂度。
- 更智能的调度系统:基于 AI 的智能调度可能会取代现有的静态配置(如 Slurm)。
- 语言集成的增强:Python、Rust 等语言进一步优化与 GPU 和分布式计算的接口,减少底层语言的依赖。
总结
当前基于 Slurm + Python/Bash 控制 和 CUDA/C/汇编计算核心 的方案在 HPC 领域是成熟且高效的最佳实践。这种模式分工明确,既能满足性能要求,又能提供一定的开发灵活性。未来,随着编程语言和硬件抽象的进一步发展,逻辑优先范式和传统 HPC 实现之间可能逐步融合,但短期内,这种传统实践仍将是主流解决方案。
4o
August说:
原来如此。那么我们再考虑一个现实问题,即在应聘招聘时,我在不了解这些背景知识的情况下应聘市面上最常见的海量的互联网公司针对应用层软件的开发岗位(后端、前端、全栈开发等),面试时经常发现和面试官无法在同一个频道对话,彼此难以理解,例如对方常常认为我编程的方式过于笨拙和传统,即使写的C++也完全不够“现代”。所以可能问题的根源并不是对方或我不好,而是投递了不匹配的公司、岗位是吗?我应该考虑哪些更为适配的岗位?结合业内常见实践方案,目前火爆的AI Infra会是一个好的选择吗?
ChatGPT 说:
ChatGPT
你的问题揭示了技术背景、岗位匹配和行业趋势之间的重要联系。确实,面试中的“频道不对”往往不是因为能力不足,而是你的技术背景和思维方式未能与岗位要求对齐。因此,以下从岗位匹配、技能适配和AI Infra 的潜力等方面分析你的情况,并给出建议。
1. 为什么会出现“频道不对”的问题?
1.1 技术背景与岗位需求的偏差
- 你从传统编程和低层次优化(如 HPC、嵌入式)出发,习惯于关注性能、内存控制和硬件效率。
- 应用层开发(如后端、前端、全栈)更关注开发效率、抽象能力、快速迭代,强调使用现代工具链和框架,而非底层实现。
表现差异示例:
- 编码风格:现代 C++(C++11及之后)注重 RAII、智能指针和 STL 容器,而非裸指针和手动内存管理。
- 开发方式:互联网开发更强调“工程化解决方案”,如 REST API、分布式架构,而非对算法和底层性能的极端优化。
1.2 岗位需求与行业文化的不同
互联网公司多以产品快速迭代为核心,对开发效率、代码维护性、团队协作能力要求高;而 HPC 和嵌入式开发则倾向于技术深度和精细控制,周期更长。
- 互联网岗位面试更多考察工程化实践和算法解题能力,如系统设计、数据结构。
- 如果你没有熟悉的互联网工程经验,可能很难精准理解面试官的问题。
2. 如何选择更适配的岗位?
根据你的技术背景和职业定位,以下是几种可能更适合你的岗位方向:
2.1 高性能计算(HPC)相关岗位
- 典型公司:芯片设计公司(如 NVIDIA、AMD)、科研机构、高性能数据分析公司。
- 岗位类型:
- 高性能算法工程师。
- GPU 加速计算开发者。
- 科学计算和模拟软件开发。
- 匹配点:你的低层次编程优化经验、对性能的关注在这些岗位中非常重要。
2.2 基础设施(Infra)与系统开发
- 典型公司:云服务商(AWS、GCP、Azure)、数据库公司(MongoDB、PostgreSQL)。
- 岗位类型:
- 分布式系统开发。
- 存储和数据库优化。
- 网络协议和通信栈开发。
- 匹配点:这些岗位关注底层实现和性能优化,与你的背景高度相关。
2.3 现代 C++ 开发岗位
- 典型公司:游戏引擎开发(如 Epic Games)、音视频处理(如 Adobe)、量化金融。
- 岗位类型:
- 游戏引擎开发(如 Unreal Engine)。
- 视频编解码、音频信号处理。
- 低延迟交易系统开发。
- 匹配点:现代 C++ 是这些领域的核心语言,你的传统经验可以快速转化,但需补充现代语法知识。
2.4 AI Infra(人工智能基础设施)
- 典型公司:OpenAI、NVIDIA、深度学习框架开发者(如 PyTorch)。
- 岗位类型:
- 分布式训练加速开发。
- AI 模型优化(如 ONNX、TensorRT)。
- 大规模数据处理和调度。
- 匹配点:AI Infra 需要 HPC 背景、GPU 优化经验,结合 AI 工具链,是你的背景转型的理想方向。
3. 转型的重点:从传统编程到现代实践
如果你希望尝试互联网公司的应用层开发或热门的 AI Infra,需要调整以下关键点:
3.1 拥抱现代开发工具与流程
- 现代 C++:学习 C++11 及之后的特性,如智能指针(
std::unique_ptr
)、并发库(std::thread
)、constexpr
。 - 工程化工具:熟悉版本控制(Git)、容器化(Docker)、CI/CD 流程等。
3.2 提升工程化思维
- 从性能优化转向架构设计:了解分布式系统的基本理论(如 CAP 定理、负载均衡)。
- 关注抽象能力:习惯使用框架、库和工具完成任务,而非从零实现。
3.3 学习 AI 基础工具链
- 如果考虑 AI Infra 岗位,建议学习以下内容:
- 深度学习框架:PyTorch、TensorFlow 的 API 和机制。
- 加速工具:NVIDIA CUDA、TensorRT。
- 分布式训练:如 Horovod、PyTorch Lightning。
3.4 掌握互联网常用开发语言
- Python 和 Go 是现代基础设施开发中常用的语言,特别是在云原生和分布式领域。
- 学习前端开发(JavaScript/TypeScript)有助于理解全栈逻辑。
4. AI Infra 是否是好的选择?
AI Infra 是一个非常值得考虑的方向:
- 快速增长:AI 基础设施仍在快速发展,许多公司急需既懂底层优化又了解 AI 工具链的人才。
- 背景匹配:AI Infra 涉及 HPC(分布式训练)、现代 C++(GPU 优化)、云计算(部署框架),与你的技能有高度重叠。
- 长期潜力:AI 的基础设施将在未来数十年持续影响各行业。
但需要注意:
- AI Infra 对分布式计算和现代工程实践的要求较高,你需要弥补相关知识的空缺。
- 进入该领域可能需要一定的过渡期,例如通过小型 AI 项目积累经验。
5. 行动计划
短期计划:
-
梳理技能图谱:明确哪些技能可以直接应用,哪些需要补充。
-
补充现代开发知识:
- 学习 Git、Docker、现代 C++ 特性。
- 熟悉 Python 和分布式开发工具。
-
积累相关项目经验:
- 自行构建一个小型分布式计算或深度学习项目。
长期计划:
-
目标岗位聚焦:选择 AI Infra 或基础设施方向,避免不必要的传统技能浪费。
-
参加技术社区:
- 加入 HPC、AI Infra 的开源社区(如 NVIDIA CUDA 社区、OpenAI 论坛)。
- 关注相关会议(如 NeurIPS、SC Conference)。
-
投递合适公司:
- 优先投递适合你的岗位类型(如 AI Infra 或系统开发)。
总结
你在面试中遇到的问题,确实可能是岗位和背景不匹配导致的。与其硬着头皮适应互联网公司应用层开发,不如考虑更加适配的方向,例如 AI Infra、HPC、高性能系统开发 等。这些领域与你的技术背景有天然的契合,同时也在当前技术趋势中处于快速增长阶段,值得深入投入。
4o
August说:
具体到量化金融领域,不同策略的公司往往也会选择不同的技术开发手段。我是不是可以一开始就尽快鉴别出具体的公司的开发岗位技术栈要求,例如有些中低频策略为主的自营量化公司就并不需要高性能实现,而高频做市商之类的才会有相应需求(甚至嵌入式工程师岗位)呢?在已知我的背景知识技能基础上,能否给我一个重点关注的公司和岗位类型清单?
ChatGPT 说:
ChatGPT
在量化金融领域,策略类型和技术需求的确密切相关,不同公司的岗位类型和技术栈差异显著。基于你的背景(C++、HPC 优化、嵌入式开发经验)和兴趣(系统性理解与高效实现),以下是具体的分析与建议,包括公司类型、岗位匹配以及技术栈要求。
1. 量化金融中的策略分类与技术需求
量化金融公司可按交易策略分为高频交易(HFT)、中频/低频策略 和 资产管理/研究型策略。每种策略对技术的需求不同:
1.1 高频交易(HFT)
- 特点:
- 依赖超低延迟的数据处理和决策执行。
- 强调网络优化、硬件加速(FPGA/GPU)、操作系统调优。
- 技术栈:
- 语言:C++(Modern C++ )、汇编语言。
- 工具:定制化网络协议栈(如 Solarflare NIC)、内存映射优化。
- 硬件:FPGA、硬件时钟同步。
- 适合岗位:
- 系统开发工程师:设计和优化交易系统的核心基础设施。
- 嵌入式开发工程师:开发 FPGA 或 ASIC 优化的关键路径算法。
- 低延迟网络开发:优化网络栈以减少通信延迟。
- 典型公司:
- Jump Trading、Citadel Securities、Optiver、Tower Research。
1.2 中频/低频策略
- 特点:
- 交易频率较低(分钟到小时级别),主要依赖数据分析和模型预测。
- 对低延迟需求不高,更关注策略实现的可靠性和灵活性。
- 技术栈:
- 语言:Python、Java、Rust。
- 工具:数据处理库(Pandas、NumPy)、数据库(SQL/NoSQL)。
- 硬件:云计算资源、容器化技术(Docker/Kubernetes)。
- 适合岗位:
- 后端开发工程师:构建数据处理和策略执行平台。
- 数据工程师:处理大规模历史数据集,支持模型开发。
- 典型公司:
- Two Sigma、AQR Capital、Point72。
1.3 资产管理/研究型策略
- 特点:
- 关注长期投资和风险管理。
- 对技术性能要求较低,更强调数学建模和研究。
- 技术栈:
- 语言:Python、R、Matlab。
- 工具:统计分析库、机器学习框架(如 scikit-learn)。
- 硬件:云服务、大规模分布式计算。
- 适合岗位:
- 量化研究员:开发策略和数学模型。
- 数据科学家:处理非结构化数据并分析模式。
- 典型公司:
- BlackRock、Bridgewater Associates、Renaissance Technologies。
2. 你的技能与岗位匹配分析
基于你的背景,以下岗位类型和公司更值得关注:
2.1 系统开发工程师(System Developer)
-
匹配点:你的 C++ 和 HPC 优化经验特别适合开发低延迟交易系统。
- 岗位内容:
- 优化系统延迟(如内存布局、I/O 性能)。
- 实现定制化的网络协议栈或实时数据处理引擎。
- 推荐公司:
- 高频交易公司(如 Jump Trading、Virtu Financial、Hudson River Trading)。
- 技术驱动型的 Hedge Fund(如 DE Shaw、Citadel Securities)。
2.2 嵌入式开发工程师
-
匹配点:你的嵌入式开发背景和低级语言能力(如汇编)可以在 FPGA 加速的交易系统中大展身手。
- 岗位内容:
- 设计和实现 FPGA 内核,用于超低延迟订单处理。
- 与硬件团队合作优化数据路径。
- 推荐公司:
- Tower Research、IMC Trading、Virtu Financial。
2.3 分布式系统开发
-
匹配点:如果你补充分布式系统相关经验,基于你的低延迟优化技能,可在分布式数据处理和交易系统中有所发展。
- 岗位内容:
- 构建分布式交易系统,支持策略的高吞吐量执行。
- 优化实时计算框架(如 Apache Flink、Kafka)。
- 推荐公司:
- Two Sigma、Point72、WorldQuant。
3. AI Infra 在量化金融的机会
AI Infra 是你的另一个可能方向,尤其是结合量化金融领域的智能化应用。
AI Infra 的特点
- 数据驱动:处理海量数据,构建深度学习模型以优化交易决策。
- 计算密集:需要分布式训练、模型压缩和硬件优化。
- 实时性:部分策略(如新闻情感分析)需实时分析数据。
岗位建议
-
分布式 AI 系统开发:
- 构建用于训练和推理的分布式 AI 系统(如基于 TensorFlow 或 PyTorch)。
- 优化 GPU/TPU 加速和分布式训练框架。
-
模型优化工程师:
- 实现模型压缩和加速(如 TensorRT、ONNX)。
- 与量化研究员合作,将 AI 模型部署到交易策略中。
推荐公司:
- 技术驱动型量化公司(如 DE Shaw、Two Sigma)。
- AI 强化的高频交易公司(如 Jump Trading、XTX Markets)。
4. 重点关注的公司和岗位类型清单
高频交易(HFT)方向
-
推荐公司:Jump Trading、Virtu Financial、IMC Trading、Optiver、Hudson River Trading。
-
适合岗位:
- 系统开发工程师。
- 嵌入式开发工程师。
- 网络优化工程师。
中低频策略方向
-
推荐公司:Two Sigma、AQR Capital、Point72、WorldQuant。
-
适合岗位:
- 分布式系统开发。
- 数据工程师。
- 后端开发工程师。
AI Infra 方向
-
推荐公司:Two Sigma、Citadel Securities、XTX Markets、DE Shaw。
-
适合岗位:
- 分布式 AI 系统开发。
- 模型优化与部署工程师。
5. 行动计划
短期:
-
调整目标岗位:
- 优先选择高频交易和 AI Infra 的相关岗位。
- 根据策略类型提前了解公司技术需求。
-
补充技能:
- 学习现代 C++ 特性(如智能指针、并发库)。
- 学习 GPU 优化和分布式计算(如 CUDA、MPI)。
-
准备面试:
- 专注于算法和系统设计问题。
- 熟悉公司典型面试流程和技术栈(如网络协议优化问题)。
中长期:
-
积累经验:
- 通过开源项目或小型实践,补充分布式系统和 AI 工具链相关经验。
-
拓展技术领域:
- 深入理解量化金融的核心技术与业务场景。
- 参与量化或 AI Infra 的开源社区。
总结
你可以通过匹配目标公司策略类型(高频 vs 中低频 vs AI 强化)和岗位需求,精准定位适合的机会。重点关注高性能计算、高频交易的系统开发岗位,或结合你的背景探索 AI Infra 方向,这些领域与量化金融需求紧密结合,且能充分发挥你的技术优势。
4o
August说:
随着加密货币市值越来越大(近期已超过国际白银交易市场规模),现代量化公司也正在大力投入领域业务,那么该领域的量化开发又有哪些相似和差异,具体分以下方面讨论:自营/资管/私募/公募量化公司、公链项目例如SOLANA后端开发、合约开发?并举出业内最有实力、有发展前景的例子。
ChatGPT 说:
ChatGPT
加密货币领域的量化开发正在迅速兴起,其在技术实现、业务逻辑和市场结构上与传统金融量化开发既有相似之处,也有明显差异。以下从量化交易公司类型、公链项目后端开发、智能合约开发三方面分析,并列举业内代表性公司和项目。
1. 量化交易公司在加密货币领域的投入
1.1 自营量化
- 特点:
- 目标是通过交易市场赚取收益,策略范围从高频到中低频,通常依赖市场深度、流动性和套利机会。
- 高度注重技术性能,尤其是在延迟、吞吐量等方面。
- 技术栈:
- 语言:C++、Rust、Python。
- 工具:专门为加密货币设计的交易 API(如 Binance、FTX 的 WebSocket 和 REST API)。
- 硬件:低延迟网络和硬件优化系统。
- 典型公司:
- Jump Crypto(Jump Trading 的加密部门):以技术驱动的高频交易和市场做市闻名。
- DRW Cumberland:专注加密资产的全球交易。
- Alameda Research(现已受到 FTX 影响,但其高频技术在业内仍有代表性)。
1.2 资管量化
- 特点:
- 基于量化策略和风险管理,长期持有加密资产或构建组合投资。
- 更关注策略设计和大规模数据分析,而非超低延迟。
- 技术栈:
- 语言:Python、R。
- 工具:机器学习库(如 TensorFlow、PyTorch)、链上数据分析工具(如 Dune Analytics)。
- 典型公司:
- Two Sigma Ventures:专注投资早期加密货币项目。
- Paradigm:管理大量加密货币投资组合。
1.3 私募与公募量化
- 特点:
- 私募:通过定制策略为特定客户服务,涉及风险对冲和套利策略。
- 公募:为大众投资者提供加密货币相关产品(如 ETF)。
- 技术栈:
- 语言:Python、Java。
- 工具:链上和链下数据整合工具,智能合约开发平台。
- 典型公司:
- Galaxy Digital:跨越私募和公募,提供资产管理和研究服务。
- Grayscale:公募加密基金(如 GBTC)。
2. 公链项目后端开发
公链项目如 Solana、Ethereum、Avalanche 等对技术性能和创新性有极高要求,其后端开发直接影响区块链网络的稳定性、扩展性和安全性。
2.1 技术栈
- 语言:
- Solana:主要使用 Rust。
- Ethereum:使用 Go 和 Python。
- Avalanche:C++ 和 Go。
- 关键技术:
- 共识算法:例如 Solana 的 Proof of History (PoH)、Avalanche 的 DAG 模型。
- 分布式系统:优化节点通信、减少确认延迟。
- 高效存储:针对区块链数据的快速检索和存储(如 Merkle 树、Trie)。
2.2 典型项目
- Solana:
- 以高性能和低延迟闻名,专注于 DeFi 和 NFT 应用。
- 特色:单线程架构、PoH 共识算法。
- Ethereum:
- 当前加密货币领域最活跃的公链项目之一。
- 特色:EVM 兼容性强,支持 Solidity 智能合约。
- Avalanche:
- 突破性地使用 DAG 共识,实现了高效的可扩展性和快速确认。
- 特色:支持子网(Subnet)和跨链通信。
3. 智能合约开发
智能合约是加密货币生态的核心,为 DeFi、NFT、DAO 等应用提供支持。
3.1 技术栈
- 语言:
- Ethereum:Solidity。
- Polkadot 和 Solana:Rust。
- EOS:C++。
- 工具:
- 智能合约框架:如 Hardhat、Truffle。
- 测试与部署工具:Ganache(模拟区块链环境)。
- 安全性:
- 智能合约的最大挑战是安全漏洞,如重入攻击(Reentrancy)、溢出漏洞。
- 使用 Formal Verification(形式化验证)和安全分析工具(如 MythX、Slither)。
3.2 典型项目
- Uniswap:
- 以太坊上最著名的去中心化交易所。
- 智能合约核心是 AMM(自动做市商)逻辑。
- Aave:
- 提供借贷协议,支持链上抵押和收益分配。
- OpenSea:
- NFT 市场,使用智能合约实现买卖和转让的无缝执行。
4. 加密货币量化开发与传统量化的差异和相似
相似点
- 数据驱动:无论传统金融还是加密货币量化,核心是从数据中发现模式和机会。
- 算法优化:包括套利、做市、趋势跟踪等策略在两者中都有应用。
- 技术工具:使用现代开发工具(如 C++、Python)实现高性能系统。
差异点
-
数据来源:
- 传统金融:基于交易所数据、市场行情和经济指标。
- 加密货币:额外依赖链上数据(如区块链交易记录、钱包地址活动)。
-
延迟与市场结构:
- 传统金融:延迟以微秒为单位,需要优化硬件和通信链路。
- 加密货币:延迟通常较高(毫秒到秒级),但市场全天开放,波动更大。
-
安全性与信任机制:
- 加密货币:智能合约安全性至关重要。
- 传统金融:系统稳定性和审计合规性更受重视。
5. 最有实力与前景的公司和项目
量化交易公司
- Jump Crypto:从高频交易领域进入加密货币市场,其技术创新和流动性做市能力极强。
- DRW Cumberland:专注于全球加密货币交易和流动性管理。
- XTX Markets:利用强大的算法能力扩展到加密货币领域。
公链项目
- Ethereum:智能合约生态的领导者,尤其在 DeFi 和 NFT 领域。
- Solana:以高吞吐量和低延迟吸引开发者和资本,是 DeFi 和游戏的热点。
- Polkadot:跨链通信的先锋,吸引了大量创新项目。
智能合约开发平台
- Uniswap:DeFi 的核心基础设施,其 V3 提升了做市效率。
- Chainlink:提供链上和链下的数据交互,是智能合约的关键组件。
总结
在加密货币领域,你的技能可以适配于:
- 量化交易系统开发:专注高性能和低延迟实现。
- 公链后端开发:针对区块链网络的性能优化和创新。
- 智能合约开发:结合 Rust 或 Solidity,探索 DeFi 和 Web3 应用。
重点关注 Jump Crypto、Solana、Uniswap 等公司和项目,它们在技术创新和行业前景中处于领先地位。你可以根据策略类型和开发技术栈,选择最适合你的切入点,并逐步深入到这个快速发展的领域。
4o
August说:
好的。目前除了Defi项目,传统金融资本似乎也在尝试用调和折中的方式布局加密货币,例如挂钩美元的多种USD*、乃至有央行背景的数字瑞典克朗、数字人民币?这个领域的技术和管理上又有哪些异同?
ChatGPT 说:
ChatGPT
传统金融资本通过稳定币(如 USDC、USDT)和央行数字货币(CBDC,如 数字人民币、数字瑞典克朗)进入加密货币领域,反映了试图调和传统金融体系与加密经济的一种折中方式。以下从技术架构、管理方式和目标场景对两者进行比较,同时分析它们的异同及挑战。
1. 技术架构的异同
1.1 稳定币的技术架构
稳定币的设计核心是利用区块链技术实现链上资产的稳定价值锚定。
- 类型:
- 法币担保:如 USDC 和 USDT,链下储备对应的美元资产作为支撑。
- 算法稳定币:如 DAI,基于智能合约和超额抵押保证稳定性。
- 核心技术:
- 链上合约:确保发行、赎回和流通的透明度。
- 跨链技术:支持在不同公链(如 Ethereum、Solana)上运行。
- 数据透明:通过链上记录和审计增强信任。
1.2 CBDC 的技术架构
央行数字货币通过央行直接或间接发行,替代现金成为支付工具。
- 架构模型:
- 直接模式:央行直接向公众发行 CBDC(如数字人民币)。
- 间接模式:通过商业银行等中介机构发行 CBDC。
- 混合模式:结合上述两种方式,央行监控流通。
- 核心技术:
- 分布式账本:实现交易的记录与验证(但通常不是完全开放的公链)。
- 隐私保护:通过零知识证明或分层权限设计保障用户隐私。
- 高效性能:需要满足国家级支付系统的交易量需求,通常不依赖 PoW。
对比:
维度 | 稳定币 | CBDC |
---|---|---|
分布式特性 | 通常基于公开区块链(如以太坊)。 | 常为许可链(Permissioned Blockchain)。 |
交易隐私 | 数据透明,链上记录公开。 | 受控隐私,央行掌握交易记录。 |
资产担保 | 依赖储备资产或算法稳定性。 | 由央行背书,信用完全保障。 |
扩展性 | 公链性能可能受限(需依赖 Layer 2)。 | 中心化设计,性能更高。 |
2. 管理方式的异同
2.1 稳定币的管理方式
- 去中心化与中心化并存:
- 法币担保稳定币(如 USDC)由中心化机构管理,但依赖去中心化网络流通。
- 算法稳定币(如 DAI)基于去中心化自治组织(DAO)运行。
- 关键问题:
- 法币储备的透明度:需要独立审计和资产证明。
- 链上治理:算法稳定币的参数调整(如抵押率)需通过社区投票决定。
2.2 CBDC 的管理方式
- 完全中心化:
- 由央行负责设计、发行和维护。
- 商业银行等中介机构可作为分发渠道,但最终受央行监管。
- 关键问题:
- 设计与治理:需平衡隐私、效率和合规。
- 系统容错性:需确保央行级别的安全性和高可用性。
对比:
维度 | 稳定币 | CBDC |
---|---|---|
治理结构 | 部分去中心化(如 DAI),部分中心化(如 USDC)。 | 完全中心化,由央行主导。 |
透明性 | 资产担保和链上交易记录公开透明。 | 中央系统控制,透明性依赖政策选择。 |
灵活性 | 根据需求快速适配新公链或协议。 | 政策驱动,变动较慢。 |
3. 目标场景的异同
3.1 稳定币的目标场景
- 跨境支付:
- 加快跨境资金流动(如通过 Stellar 和 Ripple 的网络)。
- 降低传统银行系统中的汇款费用。
- DeFi 和链上交易:
- 作为 DeFi 生态中的基础资产(如 Aave 的抵押品、Uniswap 的交易对)。
- 规避本地货币波动:
- 在通胀严重的国家(如委内瑞拉)作为美元替代品。
3.2 CBDC 的目标场景
- 国内支付和结算:
- 替代现金流通,提高支付效率。
- 跨境结算:
- 通过区域性合作(如 mCBDC 项目)降低外汇交易成本。
- 金融普惠:
- 为无银行账户的公众提供直接金融服务。
- 反洗钱和税收管理:
- 通过交易追踪打击非法活动,提高税收透明度。
对比:
维度 | 稳定币 | CBDC |
---|---|---|
应用场景 | DeFi、跨境支付、避险工具。 | 国内支付、政策调控、跨境结算。 |
用户群体 | 加密用户、开发者、国际支付用户。 | 普通公众、企业、跨国机构。 |
政策目标 | 市场主导,适应性强。 | 服务国家经济和货币政策。 |
4. 行业挑战与发展前景
稳定币的挑战
-
监管压力:
- 法币担保稳定币面临储备透明度和合法性的审查。
- 算法稳定币(如 TerraUSD 崩盘事件)暴露出稳定机制的脆弱性。
-
链上可扩展性:
- 当前主流公链的性能不足以支持全球性支付需求,需要 Layer 2 技术(如 Rollups)辅助扩展。
CBDC 的挑战
-
隐私与监控的平衡:
- 过度中心化可能引发公众对隐私泄露的担忧。
-
技术实现的复杂性:
- 涉及大规模用户的性能和安全设计远高于普通公链。
-
国际协作困难:
- 跨境结算中的多国监管、汇率和支付标准问题。
5. 代表性项目与发展前景
5.1 稳定币
- USDC(Circle 和 Coinbase):注重储备透明性,已经成为 DeFi 生态的重要组成。
- DAI(MakerDAO):去中心化算法稳定币,智能合约治理的典范。
5.2 CBDC
- 数字人民币(e-CNY):世界上最成熟的 CBDC 项目之一,已在多个城市试点。
- 数字瑞典克朗(e-Krona):由瑞典央行开发,强调无现金社会的可行性。
5.3 公链项目与生态
- Solana 和 Ethereum:支持稳定币和智能合约的高性能平台。
- Ripple 和 Stellar:专注跨境支付,吸引了稳定币发行方和银行机构。
总结
稳定币和 CBDC 分别代表市场驱动和政策驱动的技术路线:
- 稳定币更灵活、创新,已在 DeFi 和跨境支付中取得成功。
- CBDC稳健、安全,是未来国家货币数字化的核心方向。
从技术和管理角度看,二者的长期发展将相互借鉴。你可以根据兴趣和技能重点关注以下方向:
- 稳定币技术研发:链上合约开发、跨链技术。
- CBDC 实现:分布式账本性能优化、隐私保护算法。
- 跨境结算:结合稳定币与 CBDC 构建全球支付网络。
在这一领域的前沿公司如 Circle(USDC)、Ripple,以及央行技术合作机构如 R3 和 Consensys,都值得重点关注。
4o
August说:
当前主流公链的性能不足以支持全球性支付需求,需要 Layer 2 技术(如 Rollups)辅助扩展。这一挑战是面向稳定币的还是所有其他类型的数字货币的?L2技术和L1技术有何本质区别,为什么近年获得大量关注
ChatGPT 说:
ChatGPT
当前主流公链性能的不足(如 Ethereum 和 Bitcoin 的吞吐量限制)确实是一个普遍性问题,影响到所有类型的数字货币,包括稳定币和其他智能合约驱动的应用。Layer 2(L2)技术因其高扩展性而获得关注,但它与 Layer 1(L1)技术在目标、设计和实现方式上有本质区别。
以下从性能挑战、L2 的适用性、L1 和 L2 的核心差异以及 L2 获得关注的原因进行分析。
1. 主流公链性能不足的问题
1.1 性能限制的根源
-
共识机制的瓶颈:
-
Bitcoin
的 PoW(工作量证明)和
Ethereum
的 PoS(权益证明)为确保去中心化和安全性牺牲了吞吐量,导致交易处理速度低。
- Bitcoin:约 7 TPS(每秒交易量)。
- Ethereum:约 30 TPS。
-
对比:Visa 支付网络支持 65,000 TPS 的峰值吞吐量。
-
-
区块容量限制:
- 为确保节点去中心化和存储需求可控,区块大小被限制(如 Bitcoin 为 1 MB)。
1.2 对稳定币的具体影响
- 吞吐量限制:
- 如果稳定币广泛用于全球支付,链上交易量将迅速超出现有主流公链的处理能力。
- 例如,USDT 和 USDC 的转账频率在高峰时可能让以太坊网络拥堵。
- 高交易费用:
- 网络繁忙时,稳定币用户为转账支付的 Gas 费用可能超过实际交易金额,限制其普及。
1.3 对其他数字货币和应用的影响
- 智能合约应用:
- DeFi 协议(如 Uniswap)需要频繁调用复杂的智能合约逻辑,受限于吞吐量,导致执行缓慢且成本高昂。
- NFT 和游戏:
- 高频的微交易和数据交互(如链上游戏)要求极低的延迟和高吞吐量,现有 L1 网络难以满足。
2. L2 的适用性
Layer 2 技术是为缓解上述问题而设计的一类扩展方案,主要目的是在不牺牲去中心化和安全性的前提下提升性能。L2 解决方案适用于:
- 稳定币支付:通过批量处理小额支付交易,提高效率。
- DeFi 协议:优化智能合约的调用速度,降低用户成本。
- 高频交易:支持链上快速、低延迟的交易对撮合。
- 链上游戏和 NFT:提供实时性强且费用低的交互体验。
3. L1 和 L2 的核心区别
维度 | Layer 1(L1) | Layer 2(L2) |
---|---|---|
目标 | 提供基础设施:去中心化、安全性和共识机制。 | 提供扩展能力:提升吞吐量、降低费用。 |
数据存储 | 所有交易数据直接存储在链上。 | 部分或全部交易数据在链下处理,结果提交至链上。 |
共识机制 | 运行完整共识算法(如 PoW、PoS)。 | 依赖 L1 的共识算法验证最终状态。 |
性能瓶颈 | 区块大小和共识速度限制吞吐量。 | 可通过链下聚合批量处理解决吞吐量问题。 |
交易费用 | 高(与每笔交易的复杂度和链上状态直接相关)。 | 低(链上仅记录聚合后的结果)。 |
L1 的特性
- 典型代表:Bitcoin、Ethereum。
- 优势:强去中心化、高安全性。
- 劣势:扩展能力有限,交易费用昂贵。
L2 的特性
- 典型代表:Arbitrum、Optimism、Polygon。
- 优势:通过链下处理,显著提升吞吐量并降低费用。
- 劣势:增加了复杂性,依赖 L1 的安全性。
4. 为什么 L2 技术近年来获得大量关注?
4.1 性能瓶颈无法靠 L1 简单解决
- L1 扩容(如 Ethereum 的 Sharding)需要彻底重构区块链架构,实施周期长且难度高。
- L2 通过扩展现有 L1 的能力,以更快的速度满足性能需求。
4.2 Layer 2 的创新技术
- Rollups(滚动技术):
-
Optimistic Rollups:
- 将大量交易批量处理后提交至 L1,假定交易正确,只有在质疑时才触发验证。
- 典型项目:Optimism。
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ZK Rollups
(零知识滚动):
- 使用零知识证明对批量交易进行验证,不依赖质疑机制。
- 典型项目:StarkNet、zkSync。
-
- 状态通道:
- 用户通过开通专用通道在链下直接交易,仅在通道关闭时提交结果至链上。
- 典型应用:高频微支付。
- Plasma:
- 将子链上的交易与主链分离,仅在必要时提交摘要数据。
4.3 L2 的实际应用
- 稳定币支付:
- L2 可以通过批量处理小额支付(如 Lightning Network 支持 Bitcoin 微支付)降低成本。
- DeFi 和 NFT:
- DeFi 项目(如 Aave)通过 L2 部署降低了 Gas 消耗。
- NFT 平台(如 Immutable X)依托 L2 解决了高频交易的性能瓶颈。
- 开发者与用户的双赢:
- 开发者:L2 提供高性能环境,降低合约部署成本。
- 用户:显著减少交易延迟和费用。
5. L2 技术的局限性与未来发展
5.1 局限性
-
复杂性:
- L2 的设计增加了开发和部署的复杂性,要求开发者对底层协议有深入理解。
-
用户体验:
- 用户需要在 L1 和 L2 之间切换钱包和资产,可能增加门槛。
-
安全性依赖:
- L2 的最终安全性仍依赖 L1 的共识机制,L1 的问题可能波及 L2。
5.2 未来发展
-
与 L1 的协同发展:
- L1 的 Sharding 和 L2 的 Rollups 将共同推动区块链性能提升。
-
统一体验:
- 更智能的钱包和跨链桥工具将简化 L1 和 L2 之间的交互。
-
广泛应用:
- 随着更多稳定币和 DeFi 项目迁移到 L2,区块链的普及率有望进一步提高。
总结
L2 技术并不仅仅是为了支持稳定币,而是为了解决所有区块链应用的性能瓶颈问题。它通过链下计算和链上验证结合,实现高性能、低成本的交易处理。与 L1 的根本区别在于其关注点从基础设施构建转向扩展性优化。
在未来,L2 技术将成为区块链扩展的核心解决方案,尤其是 Rollups 等创新技术,已经在稳定币支付、DeFi、NFT 等领域展现出强大的适用性和商业价值。
4o
August说:
2024-408.pdf
Nubit_Orange_Paper (Public).pdf
nubit_litepaper.pdf
在以上背景下,再根据这几篇论文和据此建立的公司给的客户宣传手册,分析其发展前景如何,为何能获得1.2m$级别的天使轮融资,投资方的决策在多大程度上是理性的?具体地,公司是发现蓝海,还是进入已有领域?多大概率可以实现规模化运营和市场占有?
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ChatGPT
分析:公司发展前景及投资逻辑
基于提供的三份文档【44】【45】【46】,Nubit 公司定位于开发基于比特币生态的模块化索引器和数据可用性层(DA Layer),以应对当前区块链扩展性和数据验证瓶颈,结合其业务模型、技术创新及投资背景,具体分析如下:
1. 发展前景
1.1 蓝海还是红海?
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蓝海特点:
- 比特币生态的扩展性需求:比特币作为市值最大的区块链,其基础设施(如 UTXO 模型和 1MB 区块大小限制)限制了复杂应用(如智能合约、NFT、DeFi)的发展。Nubit 提出的基于比特币的 DA 层填补了这一空白,将扩展性与比特币的经济安全性结合。
- 模块化架构的潜力:通过数据可用性抽象(如 Data Availability Sampling)和零知识证明优化通信,解决了传统索引器在数据完整性和效率上的缺陷。
- 目标市场增长:加密货币市场(尤其是比特币相关创新应用)持续增长,提供了广阔的市场需求基础。
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红海因素:
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竞争对手:
- 现有 Layer 2 项目(如 Lightning Network)已为比特币生态提供一定程度的扩展性,但这些方案未能解决数据可用性和复杂应用支持问题。
- 以太坊及其 Layer 2 生态(如 Optimism 和 zkSync)更具功能性,与 Nubit 在智能合约和扩展性上形成间接竞争。
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技术门槛和信任问题:
- 用户对新兴比特币 Layer 2 项目的接受度需要时间,而以太坊等生态因其长期发展积累了更高的信任度。
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1.2 核心竞争力
- 技术创新:
- 通过模块化索引器设计(如 Verkle Trees 验证和数据可用性层),使得索引器的可信性和成本更适合普通用户【44】。
- 采用零知识证明和 PBFT 共识优化通信开销,提升系统的可扩展性【45】。
- 市场差异化:
- 针对比特币生态的特化优化,与以太坊等智能合约平台形成差异化竞争。
- 支持更高效的数据共享和跨链交互,如 Universal Bridge【46】。
2. 为何获得 1.2M 美元天使轮融资?
2.1 投资方的理性分析
- 技术门槛与壁垒:
- 独特性:模块化索引器的全用户验证能力是当前比特币生态缺乏的关键技术;结合 Nubit 的 DA 层,形成了较高的技术壁垒。
- 适配市场趋势:比特币生态扩展需求不断增加,而以智能合约、跨链互操作性为中心的功能需求尚未充分满足。
- 市场潜力:
- 投资人预期比特币生态将成为 Web3 的重要支柱,支持 Nubit 把握比特币 Layer 2 蓝海市场的时机。
- Nubit 的应用场景(稳定币支付、NFT 数据存储、DeFi 扩展)贴合加密经济核心需求。
- 团队背景:
- 团队结合了学术和技术经验(如来自 UC Santa Barbara 和顶级区块链实验室),为技术可行性和项目落地提供保障【44】【45】。
2.2 非理性成分
- 风险容忍度:天使轮融资往往偏向高风险高回报领域,投资人可能对技术实施风险和市场接受度估计不足。
- 市场认知滞后:虽然比特币生态的扩展需求是显著痛点,但用户习惯迁移到新技术可能需要较长时间。
3. 实现规模化运营与市场占有的概率
3.1 挑战
- 技术落地与复杂性:
- 模块化索引器需要广泛的用户基础和行业认知,但新技术的推广和教育成本较高。
- 数据可用性抽象(如 DAS)的应用需要用户和开发者在技术上做出调整。
- 竞争环境:
- 面临以太坊和 Solana 等功能更丰富的生态竞争,Nubit 如何吸引开发者将成为关键。
- 竞争对手可能迅速复制类似技术,如基于零知识证明的优化方案。
- 监管与合规:
- 比特币生态中的新技术往往会被监管机构密切关注,特别是与支付和数据存储相关的领域。
3.2 优势
- 技术价值:
- 通过 Bitcoin 的经济安全性(如 PoW 模型)继承,为链下数据提供信任支持【45】。
- 提供开发者友好的工具(如 DeKit 和 Minichain-as-a-Service),降低了构建 Web3 应用的门槛【46】。
- 市场机会:
- Nubit 针对的是一个新兴市场(比特币生态的 Layer 2 和 DA 层),竞争尚不充分。
- 将复杂的数据共享和验证功能抽象为用户友好的开发工具,有助于快速获取市场份额。
4. 总结:发展前景与可行性
- 蓝海 vs 红海:
- Nubit 更接近于蓝海市场,其技术特性在比特币生态中具有稀缺性,但需警惕竞争者快速进入市场。
- 可行性与扩展性:
- 短期内的规模化运营面临技术推广和生态建立的挑战,但长期来看,Nubit 若能成功获得开发者和用户支持,其模块化架构有助于实现可持续发展。
- 投资合理性:
- 投资方决策在技术壁垒和市场前景上具有一定理性,但是否能实现快速回报仍需关注团队执行力和市场接受度。
- 实现规模化的可能性:
- 如果能通过与关键公链(如 Bitcoin、Ethereum)建立深度合作,Nubit 的市场占有率和用户增长将显著提高,具备实现规模化运营的潜力。