HVML 是笔者在开发合璧操作系统的过程中提出的一种新型的高级编程语言。小说《考鼎记》如此介绍这个语言:

老魏发明的这编程语言,正式的名字叫 HVML,和我们知道的网页标记语言 HTML 只有一个字母之差,有朋友取了个昵称叫“呼噜猫”。HVML 和我们知道的很多编程语言,比如 Basic、Python、C/C++ 之类的完全不同,HVML 提出了一个数据驱动的概念,而代码里边也没有 if-then,do-while 之类的流程控制语言,所有的操作都基于数据。比如程序的输入数据是个数组,那我们就在这个数组上执行迭代,把数组里边的元素挑着处理一遍。如此等等。

——《考鼎记》第十回

本文就给大家讲讲 HVML 的由来以及笔者对它的未来的设想。

HVML 的由来

随着互联网技术和应用的发展,围绕 HTML/CSS/JavaScript 形成的 Web 前端开发技术发展迅猛,甚至可以用“一日千里”来形容。五年前,基于 jQuery 和 Bootstrap 的前端框架大行其道,而从 2019 年开始,基于虚拟 DOM 技术的框架又受到前端开发者的青睐,比如著名的 React.js(https://reactjs.org/)、Vue.js(https://cn.vuejs.org)等。值得注意的是,微信小程序、快应用等,也不约而同使用了这种虚拟 DOM 技术来构建应用框架。

所谓“虚拟 DOM” 是指前端应用程序通过 JavaScript 来创建和维护一个虚拟的文档对象树,应用脚本并不直接操作真实的 DOM 树。在虚拟 DOM 树中,通过一些特别的属性实现了基于变量的一些流程控制,如条件、循环等。虚拟 DOM 技术提供如下一些好处:

  1. 由于脚本并不使用脚本程序直接操作真实的 DOM 树,故而一方面通过现有的框架简化了前端开发的复杂性,另一方面通过优化对真实 DOM 树的操作而减少了由于动态修改页面内容而对 DOM 树的频繁操作,从而提高了页面的渲染效率和用户体验。
  2. 通过虚拟 DOM 技术,程序对某个数据的修改,可以直接反应到该数据绑定的页面内容上,开发者无需主动或直接地调用相关接口来操作 DOM 树。这种技术提供了所谓的“响应式”编程,极大降低了开发者的工作量。

以 React.js、Vue.js 为代表的前端框架取得了巨大成功。看起来还是互联网公司钱多人多,所以可以肆无忌惮地不停地造各种各样的轮子。

然而,嵌入式或者物联网设备上的应用开发者却无法享受这些技术进步带来的红利。要开发嵌入式或者物联网设备上的应用,绝大多数情况下还是要使用 C/C++ 这种编程语言。虽说现在也有一些物联网操作系统尝试在系统中引入 JavaScript 或者 Python 语言的支持,但仅仅一个编程语言是不够的。比如博大精深的 Web 前端技术中,JavaScript 的确扮演了重要的角色,但 Web 前端技术赖以运转的基础却是 DOM 以及 CSS:DOM 提供了一种描述文档或者界面中的元素及其属性、内容的数据结构,而 CSS 描述了元素的布局、样式以及动画效果等渲染特性。一句话,那精妙的 Web 页面效果,不是通过 JavaScript 描述的,而是由 DOM 和 CSS 决定的。

所以,我们若想要在非浏览器环境中利用 Web 前端技术带来的便利来开发 GUI 应用,最该引入的首先应该是 DOM 和 CSS,而不仅仅是对一个脚本语言的支持。

除了嵌入式或者物联网应用的开发者之外,使用非 JavaScript 语言的其他开发者,比如使用 Python 做人工智能、大数据分析的开发者,也无法轻松使用 Web 前端技术带来的好处。若要用,非要折腾一番不可,比如要做个计算结果的可视化,要么使用 Python 的各种 GUI 绑定,要么绕一圈喂数据给浏览器,而且还要多学一门脚本语言。期间辛苦,也是罄竹难书。

笔者开发 MiniGUI 二十多年,知道使用 C/C++ 如何开发界面,多写几行 C/C++ 代码也能做出很多精妙的界面来。但有那么几年,笔者搞了几次 Web 前端开发,被 Web 前端技术开发界面的精妙之处所折服。后来再用 C/C++ 语言开发界面,笔者心里也是百般地不情愿。要不是为了钱,都 2020 年了,谁愿意用 C/C++ 开发 GUI?居然还有人要做“国产”的 C++ GUI 系统替代 Qt。呸!那都是二十年前的技术了。要搞国产替代,你先往前看看行吗?

另一方面,要想在嵌入式系统或者物联网设备中支持完整的 Web 前端技术,所需要的存储尺寸和运行内存都比较大,要获得好的效果,还要有 GPU 的支持。所以在合璧操作系统(HybridOS)的开发中,我们通过一些技术上的小突破来改造 Web 前端技术,使开发者可以用更少的 JavaScript 代码来完成更多的工作。但在 HybridOS 的开发过程中,我们意识到对 Web 前端技术的修修补补只能是权宜之计——我们需要一种新的开发框架,尤其是编程语言来打破 Web 前端技术现有的框框和限制。

于是就有了 HVML。如果总结一下的话,HVML 的诞生有其历史使命:

  1. 通过完备、自恰、高度抽象的新编程语言来进一步归纳和总结 React.js、Vue.js 等围绕虚拟 DOM 技术所做一些技术尝试。
  2. 打破 Web 前端技术和 JavaScript 的耦合,让其他编程语言,比如 Python、Lua、C/C++ 等,也可以直接使用 Web 前端技术带来的便利。
  3. 为传统的 GUI 开发,包括设计工具、开发框架等带来新的变革。
  4. 为云环境中的物联网应用开发带来新的可能。

这就是 HVML 的由来。未来,HVML 将成为 HybridOS 的 App 开发首选编程语言。

HVML 概貌

下面用一个简单的例子来描述 HVML 的基本长相。有关 HVML 的详细规范,感兴趣的读者可点击文末的原文链接。

下面的示例 HVML 代码生成的 HTML 页面,将在屏幕上展示三组信息:

  1. 在页面顶端显示的系统状态栏,用于展示当前时间、WiFi 信号强度、电池电量信息等。这些信息将通过监听来自系统的状态事件动态更新。
  2. 在页面中间位置展示用户列表,每个用户项包括用户名称、头像等信息。这些信息来自 JSON 表达的一个字典数组。当使用者点击了某个用户头像后,该 HVML 代码将装载一个模态对话框,其中展示该用户的更多信息。
  3. 在页面底部展示一个搜索引擎连接。具体的搜索引擎根据系统所在的语言地区(locale)信息确定。
<!DOCTYPE hvml>
<hvml target="html" script="python" lang="en">
    <head>
        <init as="users">
            [
                { "id": "1", "avatar": "/img/avatars/1.png", "name": "Tom", "region": "en_US" },
                { "id": "2", "avatar": "/img/avatars/2.png", "name": "Jerry", "region": "zh_CN" }
            ]
        </init>

        <init as="_TIMERS" uniquely by="id">
            [
                { "id" : "foo", "interval" : 500,  "active" : "yes" },
                { "id" : "bar", "interval" : 1000, "active" : "no" },
            ]
        </init>

        <listen on="hibus://system/status" as="systemStatus" />
    </head>

    <body>
        <archetype id="user-item">
            <li class="user-item" id="user-$?.id" data-value="$?.id" data-region="$?.region">
                <img class="avatar" src="$?.avatar" data-value="$?.id" />
                <span>$?.name</span>
            </li>
        </archetype>

        <archedata id="item-user">
            {
                "id": "$?.attr.data-value", "avatar": "$?.content[0].attr.src",
                "name": "$?.children[1].textContent", "region": "$?.attr.data-region"
            },
        </archedata>

        <header id="theStatusBar">
            <img class="mobile-status" src="" />
            <span class="mobile-operator"></span>
            <img class="wifi-status" src="" />
            <span class="local-time">12:00</span>
            <img class="battery-status" />>
        </header>

        <ul class="user-list">
            <iterate on="$users" with="#user-item" to="append" by="CLASS: IUser">
                <nodata>
                    <img src="wait.png" />
                </nodata>
                <except on="StopIteration">
                    <p>Bad user data!</p>
                </except>
            </iterate>
        </ul>

        <archetype id="footer-cn">
            <p><a href="http://www.baidu.com">Baidu</a></p>
        </archetype>

        <archetype id="footer-tw">
            <p><a href="http://www.bing.com">Bing</a></p>
        </archetype>

        <archetype id="footer-def">
            <p><a href="http://www.google.com">Google</a></p>
        </archetype>

        <footer id="the-footer">
            <test on="$_SYSTEM.locale" in='the-footer'>
                <match for="~zh_CN" to="displace" with="#footer-cn" exclusively>
                </match>
                <match for="~zh_TW" to="displace" with="#footer-tw" exclusively>
                </match>
                <match for="*" to="displace" with="#footer-def">
                </match>
                <error on="nodata">
                    <p>You forget to define the global variable!</p>
                </error>
                <except on="KeyError">
                    <p>Bad global data!</p>
                </except>
                <except on="IdentifierError">
                    <p>Bad archetype data!</p>
                </except>
            </test>
        </footer>

        <observe on="$_TIMERS" for="foo" to="update" in="#the-header" >
            <update on="> span.local-time" textContent="$_SYSTEM.time('%H:%m')" />
        </observe>

        <observe on="$systemStatus" for="battery" to="test">
            <test on="$?.level" in="#the-header">
                <match for="100" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-full.png" />
                </match>
                <match for=">90" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-90.png" />
                </match>
                <match for=">70" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-70.png" />
                </match>
                <match for=">50" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-50.png" />
                </match>
                <match for=">30" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-30.png" />
                </match>
                <match for=">10" to="update" exclusively>
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-10.png" />
                </match>
                <match for="*" to="update">
                    <update on="img.mobile-status" attr.src="/battery-level-low.png" />
                </match>
            </test>
        </observe>

        <observe on=".avatar" for="clicked" to="load">
            <load on="user.hvml" with="{'id': $@.attr['data-value']}" as="_modal" />
        </observe>
    </body>
</hvml>

熟悉 HTML 读者一定会觉得上面的代码很眼熟。是的,和 HTML 类似,HVML 使用标签(tag);但和 HTML 不同的是,HVML 是动态的,表述的是程序,而 HTML 是静态的,表述的是文档。

我们对照上述示例,介绍 HVML 的一些特点。

首先是数据驱动编程(data-driven programming)。通过基于数据的迭代、插入、更新、清除等操作,开发者不需要编写程序或者只要少量编写程序即可动态生成最终的 XML/HTML 文档。比如下面的上面示例代码中的 iterate 标签,就在$users 变量代表的数据(在 header 中使用 init 标签定义)上做迭代,然后在最终文档的 ul 元素中插入了若干 li 元素。而 li 元素的属性(包括子元素)由一个 archetype 标签定义,其中使用 $? 来指代被迭代的 $users 中的一个数据单元。

在上面的示例代码中,我们使用了系统内置变量 $_TIMERS 来定义定时器,每个定时器有一个全局的标识符,间隔时间以及是否激活的标志。如果要激活一个定时器,我们只需要使用 HVML 的 update 或 set 标签来修改对应的键值,而不需要调用某个特定的编程接口。这是数据驱动编程的另一个用法——我们不需要为定时器或者其他的类似模块的操作提供额外的 API。

另外,在上面的示例代码中,我们通过 observe 标签观察新的数据或文档本身的变化以及用户交互事件,可实现 XML/HTML 文档或数据的动态更新。比如在最后一个 observe 标签中,通过监听用户头像上的点击事件来装载一个新的 user.hvml 文件,以模态对话框的形式展示对应用户的详细信息。

其次是彻底解除界面、交互和数据之间的耦合。通过 HVML 引入的编程模型和方法,用于表述界面的 XML/HTML 文档内容可完全由 HVML 生成和动态调整,这避免了在程序代码中直接操作文档的数据结构(即文档对象树,或简称 DOM 树),而程序只需要关注数据本身的产生和处理即可。这样,就实现了界面和数据的解耦。比如:

  • HVML 可在文档片段模板或者数据模板中定义数据和 DOM 元素之间的映射关系(如示例代码中的 archetype 或 archedata 标签),而无需编写额外的代码完成数据到 DOM 元素属性、内容等的赋值操作。
  • HVML 将错误和异常的展现和程序代码分离了开来,程序只要产生适当的错误或者异常(如示例代码中的 error 和 except 标签),而对错误或者异常的处理则直接在 HVML 中定义,这不仅仅将程序和界面隔离了开来,同时还提高了代码的可维护性。

再次是数据的 JSON 表达。HVML 对文档和数据的操作提供了一致接口。HVML 要求所有外部数据均使用 JSON 格式表述,JSON 格式是一种人机共读的数据表述形式,可在数值、字符串、数组、字典等基本数据单元的基础上表述复杂对象。由于 HTML/XML 文档片段(DOM 子树)可表述为 JSON 格式的数据,因此,HVML 亦可用于操作使用 JSON 表述的数据。在 HVML 中,我们还提供了对动态 JSON 对象的支持,我们可以使用外部脚本程序来实现自己的动态 JSON 对象,且可以在这些对象上执行类似函数调用一样的功能。

最后,HVML 通过动作标签(通常都是一些英文的动词,如 initsetupdateiterate 等)以及与之配合的介词或副词属性来定义动作标签所依赖的数据、目标操作位置以及执行条件来完成特定的文档操作。这和常见的编程语言有很大不同,HVML 的描述方式更加贴近自然语言,从而可以大幅降低学习门槛。

限于篇幅,我们不打算在本文中详细介绍 HVML,读者对 HVML 有个感性认识就可以了。有兴趣了解详细规范的读者,可以参阅文末的原文链接。不过要耐心点哦,定义一个完备、自恰的编程语言不是一件容易的事儿,所以要读,就要找个大段的事件,耐心点儿仔细地阅读。

HVML 如何改变传统的 GUI 开发

我们假设有一个 GUI 系统,使用 XML 来描述界面上的构件(widget)。现在,我们要使用这个 GUI 系统开发一个简单的文件打开对话框,大致的界面需求如下:

  1. 有一个列表框(Listbox),其中列出了当前路径下的目录及文件(统称为目录项)。用户可使用鼠标或者键盘切换列表框中的当前选中项,并产生一个选中项改变的事件。
  2. 在该列表框的顶部,有一个文本标签(Label),其中显示了当前的路径。
  3. 当用户点击列表框下面的“Open"按钮(Button)时,若列表框的当前选中项是目录,则进入这个目录,修改用于显示当前路径的文本标签内容,并使用新路径下的目录项填充列表框,若当前选中项是一个文件,则返回选中的这个文件。

对上述界面和交互需求,我们通常可以使用如下的 XML 文件描述:

<ui>
    <label id="path">
        /home
    </label>

    <listbox id="entries">
        <item class="dir">..</item>
        <item class="dir">vincent</item>
        <item class="dir">david</item>
        <item class="file">README.txt</item>
    </listbox>

    <button id="open">
        Open
    </button>
</ui>

为满足以上的交互处理需求,我们使用 HVML 来描述这个界面的动态生成以及交互过程:

<!DOCTYPE hvml>
<hvml target="xml" script="python">
    <head>
        <init as="fileInfo">
            {
                "curr_path": "/home/", 
                "selected_type": "dir",
                "selected_name": "..",
            }
        </init>
    </head>

    <body>
        <label id="path">
            $fileInfo.curr_path
        </label>

        <archetype id="dir-entry">
            <item class="$?.type">$?.name</item>
        </archetype>

        <define as="fillDirEntries">
            <choose on="$?" to="iterate" by="CLASS: CDirEntries">
                <iterate on="$?" to="append" in="#entries" with="#dir-entry" by="RANGE: 0">
                </iterate>
            </choose>
        </define>

        <listbox id="entries">
            <call on="$fillDirEntries" with="$fileInfo.curr_path" />
        </listbox>

        <button id="open">
            Open
        </button>

        <observe on="$entries" for="selected-item-changed">
            <update on="$fileInfo" key.selected_type=$?.type key.selected_name=$?.name />
        </observe>

        <observe on="$open" for="click">
            <test on="$fileInfo.selected_type">
                <match for="dir" to="empty call update update" exclusively>
                    <init as="new_path">
                        "$fileInfo.curr_path{$2.name}/"
                    </init>

                    <empty on="#entries" />
                    <call on="$fillDirEntries" with="$new_path" />
                    <update on="$fileInfo" key.curr_path=$new_path />
                    <update on="#path" textContent="$new_path" />
                </match>
                <match for="file" exclusively>
                    <back to="_caller" with="$fileInfo">
                </match>
            </test>
        </observe>
    </body>
</hvml>

下面对上述 HVML 代码的重点部分做一些说明。

首先,该代码使用了一个全局的 $fileInfo 变量来记录当前路径(初始为 /home/)以及当前选中目录项的类型(初始为 dir)和名称(初始为 ..)。当用户在列表框中选择新的目录项时,会观察到 selected-item-changed 事件,并更新 $fileInfo 中的 selected_type 和 selected_name 键值。该事件的 payload 键值示例如下:

    {
        "type": "dir",
        "name": "david",
    }

其次,该代码使用了 choose 元素以及一个外部执行器(CLASS: CDirEntries)来获得当前路径中的所有目录项。返回的结果数据大致为:

    [
        { "type": "dir", "name": "david" },
        { "type": "dir", "name": "vincent" },
        { "type": "file", "name": "README.txt" },
    ]

在上述结果之上,使用 iterate 元素填充列表框。

最后,当用户点击 Open 按钮时,上述代码会观察到 clicked 事件。在处理该事件时,通过检查 $fileInfo.selected_type 来完成相应的工作:

  • 如果当前选中的目录项类型是目录,则切换到该目录。此时,会首先清空列表框,然后再使用新路径下的目录项填充列表框。
  • 如果当前选中的目录项类型是文件,则使用 back 标签返回上个页面,同时返回 fileInfo 数据。

在上述代码中,外部选择器 CDirEntries 的实现非常简单,就是列出给定路径下的目录项,并按照要求返回一个字典数组。使用 Python 实现时非常简单,所以这里略去不谈。

如果我们使用 HybridOS 中提到的直接执行本地系统命令的扩展 URL 图式(lcmd),我们甚至都不需要编写任何代码,而只需要使用 request

        <requset on="lcmd:///bin/ls" with="{ "cmdLine": "ls $fileInfo.curr_path" }">
            <iterate on="$?" to="append" in="#entries" with="#dir-entry" by="RANGE: 0">
            </iterate>
        </request>

如此,开发者不需要做编写任何程序,即可实现一个简单的文件浏览和打开对话框。

显然,如果使用 HVML,将大大提高传统 GUI 应用的开发效率,缩短开发周期。当然,传统的 GUI 支持系统,需要提供基于 XML 的 UI 描述支持以及类似 CSS 的布局、样式、动画等的渲染效果支持。

HVML 的未来:云应用

HVML 的潜力绝对不止上述示例所说的那样。在未来,我们甚至可以将 HVML 代码运行在云端,通过云端控制设备上的界面显示,从而形成一个新的云应用解决方案。

我们假设一个智能手环上显示当前时间、当地气温、佩戴者的心跳信息和步数信息等信息,而这个智能手环通过 MQTT(一种轻量级消息通讯协议)和云端服务器交换信息,比如向云端服务器发送佩戴者的心跳和步数信息、地理位置信息,获得时间以及当前位置的气象条件等信息。在传统的实现方式中,我们一般需要开发一个在智能手环上运行的 GUI 系统,然后和云端通讯获得数据,界面的修改完全由设备端代码负责。如果要改变界面的样式,大部分情况下需要升级整个智能手环的固件(firmware)。

但如果我们使用 HVML,则可以通过云端来控制设备的界面显示。运行在云端的 HVML 代码如下所示:

<!DOCTYPE hvml>
<hvml target="html" script="python">
    <head>
        <listen on="mqtt://foo.bar/bracelet" as="braceletInfo">

        <init as="_TIMERS" uniquely on="id">
            [
                { "id" : "clock", "interval" : 1000, "active" : "yes" },
            ]
        </init>

        <link rel="stylesheet" type="text/css" href="/foo/bar/bracelet.css">
    </head>

    <body>
        <div class="clock" id="clock">
            <observe on="$_TIMERS" for="clock">
                <update on="#clock" textContent="$_SYSTEM.time('%H:%m')" />
            </observe>
        </div>

        <div class="temperature" id="temperature">
            <observe on="$braceletInfo" for="temperature">
                <update on="#temperature" textContent="$?.value ℃" />
            </observe>
        </div>

        <div class="heartbeat" id="heartbeat">
            <observe on="$braceletInfo" for="heartbeat">
                <update on="#heartbeat" textContent="$?.value BPM" />
            </observe>
        </div>

        <div class="steps" id="steps">
            <observe on="$braceletInfo" for="steps">
                <update on="#steps" textContent="$?.value" />
            </observe>
        </div>

        <observe on="$braceletInfo">
            <choose on="$?" to="noop" by="CLASS: CDumpEvent" />
        </observe>
    </body>
</hvml>

其要点如下:

  1. 该代码生成的 HTML 文档或者对 HTML 文档的改变,将通过类似 WebSocket 的长连接发送给设备,设备根据此信息重新渲染用户界面。
  2. 该代码监听智能手环(设备)通过 MQTT 发送给云端的数据,包括心跳、气温、步数等信息,并更新相应的标签内容。
  3. 该代码设定了一个定时器,每隔 1 秒运行一次,并更新时钟对应的标签内容。
  4. 该代码使用了一个外部选择执行器 CDumpEvent 将所有来自 mqtt 的事件转储到了云端数据库中。

这带来了如下显著的改变:

  1. 复杂的逻辑代码将全部运行在云端,设备端只要有一个足够功能的 HTML/XML 用户代理即可,通常只需要包含一个根据 DOM 树和 CSS 来渲染最终用户界面的渲染器。
  2. 当我们需要调整设备端的显示效果或者功能时,我们只需要修改 HVML 代码,而不需要更新设备端的固件。
  3. 我们还可以通过外部脚本,将运行在云端的其他功能,如数据库存储、数据的分析以及人工智能等要素有机整合在一起。

写到这里,笔者真的被自己一贯强调的观点打动了:编程语言才是决定操作系统灵魂和基因的那个东西,才是基础软件生态皇冠上的那颗明珠!

HVML 参考实现开发小组

HVML 长成什么样子,现在大概有了。可实现 HVML,则是一个不亚于浏览器引擎的大软件工程。另外,HVML 可以用在各种场景下,和不同的外部脚本语言绑定,就可以形成不同的系统。如果要将 HVML 应用到云环境中,我们还需要开发应用服务器。

如笔者在《考鼎记》小说中所讲:所谓纲举目张,这编程语言就是那个纲。一个新的编程语言带来的改变,涉及到基础软件的重构、开发模型的改变、开发工具的变化,以及新的协议和软件的产生。同时还涉及到产业界上下游合作关系的变化。试想,假如本文描述的云应用成为现实,我们现在在物联网操作系统当中所做的很多努力,是不是将一文不值?

为了尽快让大家看到 HVML 实际转起来的样子,笔者组织了一个小型的开源协作小组来开发 HVML 的参考实现,其目标是为 Python 生态提供可直接利用 Web 前端技术的解决方案。这个开发小组现在已经开始工作了,我们一旦有了成果,会立即向大家汇报。

我们期待更多的人或者企业加入到 HVML 参考实现的开发当中。但是,一个新编程语言从诞生到成熟,需要一个较长的周期。在还没有看到 HVML 运行起来的样子之前,大多数人会抱着围观和观望的态度。这是人之常情。但机会一定是留给有心人的。

  • 假如您是有雄心的基础软件企业、HVML 的潜在用户或者操作系统上游企业,如芯片公司,您可以加入到 HVML 的合作伙伴计划(详情见 https://hvml.fmsoft.cn/community)中,派几个工程师参与到 HVML 参考实现的开发当中。笔者相信,您的团队和企业,将因此获得莫大的收益。
  • 假如您代表个人,可以打个赏给 HVML 参考实现项目(网页 https://store.fmsoft.cn/campaign/denoteoss-lt)。您或大或小的鼓励,都将化成我们前进的绵绵动力!

敬请期待,一场变革正在徐徐拉开帷幕!


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