詳解半靜態(tài)語言原理及價值
51CTO編者按：我們曾經(jīng)在《基于JVM的語言正在開始流行》一文中介紹過全新的基于JVM的腳本語言是Groovy和Scala。這兩門語言現(xiàn)在都越來越流行，不同的是，Groovy是動態(tài)腳本語言，而是Scala是靜態(tài)語言，那什么是半靜態(tài)語言呢？本文將由阿里巴巴技術(shù)部中文站架構(gòu)師何坤（Raymond He）系統(tǒng)地向大家介紹這篇《詳解半靜態(tài)語言原理及價值》。
引言
動態(tài)類型語言在企業(yè)開發(fā)和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如Ruby ,Velocity, Python等。 動態(tài)類型語言在運(yùn)行時進(jìn)行類型推斷，以解釋方式執(zhí)行，修改即生效，開發(fā)靈活性高；而靜態(tài)類型語言(如：Java，C/C+/C++) 在執(zhí)行前做類型檢查，需要編譯運(yùn)行，對于互聯(lián)網(wǎng)前端開發(fā)不夠靈活。
因此，許多大型互聯(lián)網(wǎng)站選擇 Freemarker, Velocity這樣的動態(tài)模板語言作為頁面開發(fā)語言，在一定程度上滿足了前端敏捷開發(fā)的需求。
然而，對于大型電子商務(wù)網(wǎng)站，不僅具有一般互聯(lián)網(wǎng)需求頻繁變更的特點(diǎn)，更顯著特點(diǎn)則是業(yè)務(wù)繁多，業(yè)務(wù)模型和業(yè)務(wù)關(guān)系復(fù)雜。 因此，在此類應(yīng)用開發(fā)中，Velocity 的開發(fā)也遇到了一些的問題。
前端模板開發(fā)問題
1、降低軟件質(zhì)量
Velocity是弱類型動態(tài)語言，運(yùn)行時才能檢查出類型錯誤。由于動態(tài)類型等特點(diǎn)，有的錯誤在遇到特定參數(shù)時，才能激發(fā)執(zhí)行路徑，軟件質(zhì)量不能很好的保證。
2、測試成本高
由于無法像靜態(tài)語言一樣，在運(yùn)行前進(jìn)行類型檢查，因此軟件的測試周期長，測試成本高。
3、開發(fā)不敏捷
缺乏一些敏捷開發(fā)功能如IDE內(nèi)實(shí)時驗(yàn)證、代碼提示、代碼重構(gòu)等。雖然能修改即生效，但對于企業(yè)級開發(fā)，效率較低。
4、維護(hù)性差
對于一個大型系統(tǒng)，在重構(gòu)業(yè)務(wù)模型（Java Model）或代碼時, 無法知道哪些Velocity模板會受到影響；常常需要花費(fèi)大量時間搜索相關(guān)模板，然后修改、測試。例如：筆者所在公司的一個基礎(chǔ)產(chǎn)品升級，由于受影響模板眾多，重構(gòu)復(fù)雜，項(xiàng)目評估達(dá)上千人日。
這些動態(tài)語言天生的缺點(diǎn)在企業(yè)級和大型網(wǎng)站應(yīng)用中非常突出，嚴(yán)重的影響了開發(fā)質(zhì)量和開發(fā)效率。因此，在技術(shù)上亟待一種新的高質(zhì)量、高效率的開發(fā)技術(shù)。
靜態(tài)語言的優(yōu)勢
綜合考慮后，我們發(fā)現(xiàn)動態(tài)類型語言（Dynamic Language）“解釋執(zhí)行方式和修改即生效”的最大優(yōu)點(diǎn)仍是不能舍棄的。必須從問題出發(fā)，找到一條平滑的線路來解決問題。
遇到上述問題時，我們不由自主的會贊美Java的優(yōu)點(diǎn)：
1、靜態(tài)語法和靜態(tài)類型實(shí)時檢查。
如果賦值類型不匹配，方法不存在，參數(shù)類型錯誤等信息能馬上在IDE中顯示；
2、代碼提示:
調(diào)用屬性，方法時能代碼提示，開發(fā)非常高效；
3、代碼熱鏈接:
通過變量和類名熱鏈接到對應(yīng)的Java類；
4、代碼重構(gòu)：
修改一個Java類時，受影響的Java代碼會被實(shí)時重新驗(yàn)證，馬上會顯示紅色的錯誤； 更強(qiáng)大的是重構(gòu)，對Java類，方法敏性重命名，會自動修改所有相關(guān)代碼中對它的引用。
Java等靜態(tài)類型語言的這些優(yōu)勢就是解決問題的方向。那為什么動態(tài)語言不能做到這些呢？ 原因在于動態(tài)語言的根本特點(diǎn)是變量無類型（即弱類型特點(diǎn)），類型在運(yùn)行時推斷，這使得它無法在開發(fā)階段進(jìn)行類型檢查。
那如何將動態(tài)語言和靜態(tài)語言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合呢？答案就是半靜態(tài)語言。
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本期主題：Android應(yīng)用開發(fā)技術(shù)進(jìn)階
地點(diǎn)：創(chuàng)新工場 北京市海淀區(qū)北四環(huán)西路66號第三極大廈B座18層
演講講師：王明禮（創(chuàng)新工場） 范懷宇（網(wǎng)易）
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半靜態(tài)語言（Semi-Static Language）
1 定義
半靜態(tài)語言，嚴(yán)格說應(yīng)該是靜態(tài)化類型的動態(tài)語言（Statically Typed Dynamic Language）。它是這樣一種語言：以靜態(tài)方式開發(fā)，以解釋方式執(zhí)行；通過變量顯式聲明或隱式聲明，運(yùn)行前可對變量類型進(jìn)行推斷和驗(yàn)證。
靜態(tài)語言，動態(tài)語言和半靜態(tài)語言的特點(diǎn)對比分析如下：
語言類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 舉例 適用場景 Static Language 強(qiáng)類型，運(yùn)行前類型檢查，程序健壯 對Java等支持反射的語言，可實(shí)現(xiàn)代碼提示，重構(gòu)等敏捷開發(fā)特性 需編譯運(yùn)行，發(fā)布慢 無法快速響應(yīng)需求變化 Java C/C++ 企業(yè)級后端開發(fā) 大型互聯(lián)網(wǎng)后端開發(fā) Dynamic Language 靈活性高，修改即生效 快速響應(yīng)需求變化 弱類型，運(yùn)行時類型檢查，程序不健壯，測試成本高 PHP Ruby Velocity 業(yè)務(wù)簡單的小型互聯(lián)網(wǎng)前端開發(fā) Semi-Static Laguange 開發(fā)時(Devtime)強(qiáng)類型，程序健壯 運(yùn)行時(Runtime)弱類型，修改即生效，快速響應(yīng)需求變化 業(yè)務(wù)復(fù)雜的企業(yè)級開發(fā)和大型互聯(lián)網(wǎng)前端開發(fā)
半靜態(tài)語言集合了靜態(tài)語言和動態(tài)語言的優(yōu)點(diǎn)，更適合企業(yè)級和大型互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，例如：電子商務(wù)，ERP，金融，保險等。
2 技術(shù)原理
2.1 范例
為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，需要在動態(tài)類型語言基礎(chǔ)上，引入變量聲明技術(shù)。因此本質(zhì)上，半靜態(tài)語言也是一種聲明式語言（Declarative Language）, 這一點(diǎn)與靜態(tài)類型語言一樣。
以Velocity模板語言為例：
當(dāng)前Velocity Template編程代碼范例如下：
- [Code 1] showBuyProducts.vm
- <HTML>>
- Hello $customer.Name
- <table>>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>>
該模板執(zhí)行后，HTML頁面上將用 $customer.Name 顯示“客戶名稱”，循環(huán)顯示該客戶購買的每個產(chǎn)品的名稱和價格。在Velocity中，運(yùn)行時通過Velocity Context傳遞變量$customer和 $buyingProducts，而開發(fā)時這兩個變量是未定型的（Untyped，或者說都是Object類型）。
為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)化開發(fā)，引入變量聲明，在模板頂部對變量$customer，$buyingProducts進(jìn)行顯式類型聲明。變量聲明指令為“##$”。
格式為：
- ##$ <Type> <var1[,var2[,[…]]]>
帶有變量聲明的半靜態(tài)模板代碼為：
- [Code 2] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ com.abc.saling.Product product
- ##$ List<Product> buyingProducts
- <HTML>
- Hello $customer.Name
- <table>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>
上述代碼中，指定了變量customer的類型為 com.abc.crm.Customer，變量buyingProducts 的類型為Product泛型集合。由于 "##"是Velocity的注釋指令，因此 "##$" 在Velocity Engine解析（Parse）和渲染（Render）時不會與現(xiàn)有語法沖突，Velocity引擎能正常執(zhí)行，從而保證了兼容性。
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2.2 動態(tài)語言一階段模型
在動態(tài)類型語言中，只有一個運(yùn)行時（Run Time）階段，運(yùn)行階段由解釋器（Intepreter）來對源代碼進(jìn)行解析（Parsing）、執(zhí)行（Evaluation）產(chǎn)生執(zhí)行結(jié)果。過程如下：
由于動態(tài)語言無類型的特點(diǎn)，在解析步驟中產(chǎn)生的抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST）所有變量被存儲為統(tǒng)一的類型，例如JavaScript，Velocity中變量都作為 Object 類型。在執(zhí)行步驟，一般由類型推斷系統(tǒng)（Type Inference System）負(fù)責(zé)根據(jù)變量的實(shí)際值動態(tài)判斷變量的類型，并判斷函數(shù)、方法或?qū)傩哉{(diào)用是否正確，由解釋器進(jìn)行執(zhí)行或計算，從而產(chǎn)生結(jié)果。
2.3 半靜態(tài)語言兩階段模型
而半靜態(tài)語言，分開發(fā)時（Develop Time）和運(yùn)行時（Run Time）兩個階段，兩個階段互不干擾。
1、開發(fā)時階段。
開發(fā)時進(jìn)行類型檢查。一個“編譯器”，更嚴(yán)格說是類型化解析器（Typing Parser）負(fù)責(zé)對源代碼進(jìn)行解析和類型檢查，然后輸出檢查結(jié)果。“變量聲明”是類型檢查的必要條件。檢查結(jié)果包含類型檢查失敗的錯誤信息和警告信息，類似于 Java編譯時的錯誤信息。
與靜態(tài)類型語言不同，此編譯器不輸出機(jī)器代碼或字節(jié)碼，只輸出類型檢查錯誤信息。
2、運(yùn)行時階段。
此階段中，源代碼仍由解釋器以解釋方式執(zhí)行，同動態(tài)語言的解釋執(zhí)行過程。
半靜態(tài)語言的兩階段模型如下圖所示：
需要指出的是，運(yùn)行時階段仍采用無類型解析器（Untyping Parser)， 是一個類型推斷系統(tǒng)。而開發(fā)時采用的是一個新的類型化解析器(Typing Parser), 是一個類型檢查系統(tǒng)(Type Checking System)。
2.4 開發(fā)流程
半靜態(tài)語言的開發(fā)流程涉及5個步驟：
1、編碼
2、編譯(類型檢查).
半靜態(tài)語言的編譯與靜態(tài)類型語言很不相同，它的編譯只進(jìn)行類型檢查，不產(chǎn)生機(jī)器碼或字節(jié)碼。因此，半靜態(tài)語言的編譯可以稱為“檢查”（Checking).
在這個步驟中，如果代碼存在類型錯誤（Error），編譯失敗，那么你必須退回到步驟1）修改代碼bug，直到代碼編譯正確。
編譯過程還可以產(chǎn)生警告（Warning），程序員可以有選擇的忽略。
3、測試
QA 執(zhí)行功能測試，集成測試和系統(tǒng)測試。
如果測試失敗，必須退回到步驟 1）。
4、發(fā)布
將代碼發(fā)布到生產(chǎn)環(huán)境
5、執(zhí)行
最終用戶訪問用半靜態(tài)語言開發(fā)的應(yīng)用功能。
從上面的開發(fā)流程可見， 開發(fā)時階段覆蓋了步驟 1）、2）， 運(yùn)行時階段覆蓋了步驟 3)、4)、5）.
為了保證只有編譯合法的半靜態(tài)語言程序在生產(chǎn)環(huán)境運(yùn)行，需要有以下兩條約束規(guī)則來保證：
1、代碼編譯合法后，才能提交到測試階段；
2、測試正確的代碼才能發(fā)布上線。
由于半靜態(tài)語言仍用解析器運(yùn)行，理論上代碼仍具有修改即生效的特點(diǎn)。但從軟件質(zhì)量保證角度，這個缺點(diǎn)應(yīng)該規(guī)避。因此上線后的代碼不允許未經(jīng)編譯、測試的隨意修改。
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2.5 類型檢查系統(tǒng)和原理
半靜態(tài)語言的類型檢查系統(tǒng)中的核心組件編譯器Compiler（或稱為Checker），它本質(zhì)上是一個類型化解析器。編譯時，該系統(tǒng)采用類型檢查算法（Type Checking Algorithm）；而在運(yùn)行時階段，仍由解釋器執(zhí)行代碼，采用類型推斷算法（Type Inference Algorithm)。
半靜態(tài)語言的類型檢查基本原理是，根據(jù)變量聲明對源碼進(jìn)行解析、類型檢查和語義檢查，輸出檢查結(jié)果。這個系統(tǒng)中類型檢查系統(tǒng)的基本原理如下圖所示：
我們使用一個命令行工具 vmcheck 來編譯半靜態(tài)語言代碼。格式為：
- Format: vmcheck templateFile
以前面的聲明式Velocity源碼為例，類型檢查系統(tǒng)包含以下幾個基本規(guī)則和檢查點(diǎn)：
1、變量是否聲明；
如果變量 $customer 未聲明，編譯錯誤如下：
- Error: line:2,column:7,variable $customer not declared !
2、JavaBean的屬性和方法是否存在
如果com.alibaba.saling.Customer類沒有屬性 'Name' ， 編譯錯誤如下：
- Error: line:2, column:7, property 'Name' not found for $customer.
如果com.alibaba.utils.CurrencyUtil 類沒有方法 'convert' ， 編譯錯誤如下：
- Error: line:6, column:22, method 'convert' not found for $currencyUtil.
3、方法調(diào)用的參數(shù)匹配;
3.1) 如果這樣調(diào)用 'convert' 方法:
- $currencyUtil.convert()
則產(chǎn)生如下編譯錯誤信息：
- Error: line:6, column:22, insufficient parameters for method call 'convert' .
3.2) 如果這樣調(diào)用 'convert' 方法
- $currencyUtil.convert( $customer , "##.##" )
則產(chǎn)生編譯錯誤信息：
- Error: line:6, column:22, parameter type mismatched of $customer for method call 'convert' , Double is required.
4、特定語句的類型匹配，如條件，循環(huán)語句：
如果有下面的復(fù)制語句調(diào)用
- #set( $customer.Name = $product.Price)
則產(chǎn)生編譯錯誤信息：
- Error: line:11, column:5, type mismatched of assignment statement.
'if', 'foreach' 等語句使用的類型匹配規(guī)則類似。這與Java等強(qiáng)類型語言一樣。
集合泛型的類型匹配
對于Java語言，JDK5+支持泛型特性。因此，類型檢查也需支持泛型。對于以下代碼
- ##$ List buyingProducts
- $buyingProducts.add( $customer)
編譯錯誤如下：
- Error: line:12, column:5, parameter type mismatched of $buyingProducts for method call 'add' , 'com.alibaba.saling.Product' is required.
- As for the previous Velocity code snippet [Code 1], after executing 'vcheck' command on console,
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3 變量聲明
變量聲明就是對變量的類型進(jìn)行聲明。變量聲明根據(jù)放置的地點(diǎn)分為兩種，顯示聲明（Explicit Declaration）和隱式聲明（Implicit Declaration）。
1、顯式聲明
顯式聲明采用特殊指令（Directive）或語句（Statement），在源碼中對變量進(jìn)行類型聲明。
顯式聲明通常的格式為：
為了保持與運(yùn)行時解釋器的兼容性，我們引入一種“基于注釋的擴(kuò)展聲明指令”技術(shù)。以Velocity模板語言（VTL）為例, 在Velocity注釋指令“##”上擴(kuò)展“##$”指令用于變量聲明。如下例所示：
- [Code 3] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ List buyingProducts
- ##$ String flag, sss, abc
對于其他動態(tài)類型語言，同樣使用“基于注釋的擴(kuò)展聲明指令”來實(shí)現(xiàn)兼容性的半靜態(tài)語言。
|
Language |
Comment Instruction |
S2L Declaration Instruction |
|
Velocity |
## |
##$ |
|
Javascript |
// |
//$ |
|
Ruby |
# |
#$ |
|
Python |
# |
#$ |
2、隱式聲明
隱式聲明不用在源碼中編寫聲明語句，而從配置文件或其他地方分析變量聲明。例如，使用Velocity進(jìn)行Web App開發(fā)時，如果需要直接頻繁操作request,response,session等Servlet容器對象，編譯器可以將它們作為內(nèi)置變量，使用隱式聲明。如下表所示：
|
Built-in variable |
Type |
|
request |
HttpServletRequest |
|
response |
HttpServletResponse |
|
session |
HttpSession |
|
application |
ServletContext |
以下代碼使用隱式聲明變量 request, session,
- Hello, $request.getParameter("username") !
- Your logged in at $session.getAttribute("loginTime") last time.
- body>
這段代碼看起來，對現(xiàn)有Velocity語法沒有任何擴(kuò)展. 但實(shí)際上，在編譯時，編譯器使用內(nèi)置變量對源碼進(jìn)行類型檢查。
如果編寫了一段錯誤的調(diào)用，例如：
- $session.getParameter("loginTime")
則編譯器輸出一條“方法不存在的”錯誤信息：
- Error: line:12, column:5, method 'getParameter' not found for $session!.
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4 語法約束
半靜態(tài)語言基于某種動態(tài)類型語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但它在語法語義上更接近與靜態(tài)類型語言。在這兩個端點(diǎn)，存在一些矛盾的地方，比如：變量動態(tài)定型，ducking type等。因此，半靜態(tài)語言需要有語法約束：
1、變量先聲明，后使用
2、變量在作用域scope內(nèi)置能聲明為一個類型；
3、禁止Ducking type 也就是多， 動態(tài)語言的無繼承多態(tài)特性不允許使用，因?yàn)檫@與靜態(tài)類型系統(tǒng)是沖突的。
如果違反這幾個規(guī)則，編譯器會產(chǎn)生相應(yīng)的編譯錯誤。以ducking type 為例（Ruby支持，而Velocity等Java系列腳本不支持）， 如果嘗試訪問一個不存在的方法，則會產(chǎn)生下面的錯誤。
- Error: line:12, column:5, method 'quack' not found for $dog.
而在Ruby中，只要 dog 存在 quack 方法，代碼運(yùn)行是正確的。
5 半靜態(tài)語言組成模型和實(shí)現(xiàn)方式
半靜態(tài)語言本質(zhì)上是動態(tài)語言思想和靜態(tài)語言思想的結(jié)合的產(chǎn)物。一種基本的半靜態(tài)語言實(shí)現(xiàn)，核心功能是在運(yùn)行前進(jìn)行類型檢查和語義檢查。其組件集合 SS包括：
1、一種靜態(tài)類型語言S，S以編譯方式運(yùn)行；
2、一種以S語言為基礎(chǔ)的動態(tài)類型語言 D。D以解釋方式由P執(zhí)行，解釋器 P 由S 編寫；
3、在語言D的語法集合上擴(kuò)展變量聲明語法，新語法集合名為 SD ；
4、用語言S對解釋器P進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn) SD 的類型編譯器C；
5、開發(fā)時，遵循SD語法集合的代碼由 C 進(jìn)行類型檢查；
6、運(yùn)行時，遵循SD語法集合的代碼由 P 進(jìn)行解釋執(zhí)行。
因此，新的半靜態(tài)語言SS是基本組成是：新語法集合SD和類型編譯器C.
SS = SD + C
舉例：
Java 是一種靜態(tài)類型語言，運(yùn)行前進(jìn)行編譯和類型檢查；
Velocity是一種基于Java的動態(tài)模板語言，通過 Velocity Engine以解釋方式運(yùn)行；
基于Velocity實(shí)現(xiàn)半靜態(tài)語言的方式為：為Velocity基本語法增加變量聲明指令（語句），基于Velocity 解釋器 實(shí)現(xiàn)類型編譯器 ，負(fù)責(zé)在開發(fā)時對模板進(jìn)行類型檢查。
實(shí)踐中，Java體系的動態(tài)類型語言一般與Java語言天生的結(jié)合使用，應(yīng)用廣泛。以它們?yōu)榛A(chǔ)，很容易通過擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)類型編譯器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)半靜態(tài)語言。 例如Freemarker，Groovy，JRuby，Bean Shell等。其他動態(tài)類型語言也可以基于此原理設(shè)計半靜態(tài)語言，如：Python，Ruby。
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IDE敏捷開發(fā)（Agile Development in IDE）
對于Velocity，F(xiàn)reemarker這類動態(tài)類型語言，它們基于Java等強(qiáng)類型語言，在模板內(nèi)能直接操作傳入的Java對象。由于Java等語言有反射（Reflection）機(jī)制。因而，除了靜態(tài)類型檢查的基本功能，可以在類型檢查和反射技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一系列IDE敏捷開發(fā)功能。包括：
1、代碼提示：編輯器內(nèi)的Java對象的屬性，方法代碼提示；
2、參數(shù)提示：編輯器內(nèi)的Java對象的方法參數(shù)提示；
3、全量構(gòu)建和增量構(gòu)建：Java類修改對相關(guān)Velocity模板的增量檢查；
4、代碼重構(gòu)：修改Java屬性或方法名稱，自動批量修改相關(guān)模板中所有對應(yīng)類型的JavaBean屬性或方法名稱。
其中3），4） 功能對于大型系統(tǒng)的維護(hù)和重構(gòu)價值尤為明顯。以上這些敏捷開發(fā)功能可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)或結(jié)合集成開發(fā)環(huán)境（IDE）如Eclipse插件來實(shí)現(xiàn)。
結(jié)論
通過以上分析可見，半靜態(tài)化語言結(jié)合了靜態(tài)語言和動態(tài)語言的優(yōu)點(diǎn)，能很好的解決動態(tài)語言編程的開發(fā)質(zhì)量和開發(fā)效率問題。半靜態(tài)化語言保留了動態(tài)語言的靈活性優(yōu)點(diǎn)，同時達(dá)到了靜態(tài)語言在開發(fā)時強(qiáng)類型檢查優(yōu)勢，能有效提升程序健壯性，減低測試復(fù)雜性和測試成本。通過與IDE結(jié)合，實(shí)現(xiàn)代碼提示，代碼重構(gòu)等敏捷開發(fā)功能，有效提升動態(tài)語言的開發(fā)效率。在企業(yè)級應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中有著良好的應(yīng)用價值。
Phone Club——51CTO移動開發(fā)線下技術(shù)沙龍
本期主題：Android應(yīng)用開發(fā)技術(shù)進(jìn)階
地點(diǎn)：創(chuàng)新工場 北京市海淀區(qū)北四環(huán)西路66號第三極大廈B座18層
演講講師：王明禮（創(chuàng)新工場） 范懷宇（網(wǎng)易）
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