作者丨Shalitha Suranga

編譯丨諾亞

新語言的出現(xiàn)，真的能威脅到老牌語言嗎？或許，真的沒有永遠(yuǎn)的王者。就像最近春風(fēng)得意的Mojo，LLVM之父Chris Lattner稱其不會(huì)威脅到 Python，但會(huì)讓C++等語言感到恐懼。

新語言層出不窮之時(shí)，舊語言的中年危機(jī)就會(huì)愈發(fā)凸顯。但像C++、C好似一直穩(wěn)坐釣魚臺(tái)，“一直被唱衰，但從未被打倒”。

但總會(huì)有新的挑戰(zhàn)者，比如Zig、Go躍躍欲試，試圖取代這個(gè)編程老祖。而且許多新語言的使用者也會(huì)幡然相信：C，或許真的需要進(jìn)化了！

本篇文章具體解釋了目前在所有C的替代品中，Zig為什么是最好的，以及Zig本身已經(jīng)有了可行的替代C的計(jì)劃，諸君不妨一探究竟。

1、C那么牛，為什么會(huì)有許多替代品？

誠然，C傲視群雄的資本還是有目共睹的，畢竟這門編程老祖之所以如此霸氣，是因?yàn)樗敲總€(gè)現(xiàn)代軟件系統(tǒng)組件的創(chuàng)造者。開發(fā)人員用C語言制作web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、框架、編程語言、云組件和許多軟件組件。盡管許多編程語言都說它們可以“取代”C語言，但這是不可能的，因?yàn)檎麄€(gè)計(jì)算機(jī)歷史都是用C語言創(chuàng)造的。

但資格老的語言總是不太能跟上“現(xiàn)代開發(fā)”的腳步。C++語言通過實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮母拍?、生產(chǎn)語言特性和通過保持C語言的性能優(yōu)先設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)庫API，為現(xiàn)代開發(fā)人員改進(jìn)了C語言語法。也有一些C替代方案可以解決每個(gè)C開發(fā)人員面臨的問題。Zig、D、Go和Odin是流行的C語言替代品。

Zig展示了一個(gè)充滿希望的未來，有一個(gè)內(nèi)置的包管理器、一個(gè)構(gòu)建系統(tǒng)、類似C但更好的語言語法、一個(gè)功能齊全的標(biāo)準(zhǔn)庫和一個(gè)不斷增長的社區(qū)。像Uber這樣的大企業(yè)也開始使用Zig工具鏈進(jìn)行交叉編譯。此外，一些軟件公司開始使用基于Zig的代碼存儲(chǔ)庫開展業(yè)務(wù)。我將用這個(gè)故事解釋Zig如何成為C語言的最佳選擇。

2、為什么Zig只能替代C，而不是C++

系統(tǒng)編程通常指的是開發(fā)更接近計(jì)算機(jī)硬件或操作系統(tǒng)層的東西。系統(tǒng)編程通常實(shí)現(xiàn)可以運(yùn)行其他軟件系統(tǒng)的軟件模塊。編寫操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序框架和嵌入式系統(tǒng)是系統(tǒng)編程的好例子。系統(tǒng)程序員主要有兩種語言類型選擇:

• C 及其替代方案：使用小型的高性能語言，如傳統(tǒng)的 C、Go、Zig 或 Nim。
• C++及其替代方案：使用有點(diǎn)復(fù)雜、高性能的語言，如傳統(tǒng)的C++、Rust、Carbon 或 Cppfront。

Zig屬于第一種語言。它是一種小型的、類似C語言的高性能語言，沒有專用的運(yùn)行時(shí)(沒有內(nèi)置的垃圾收集器)。Zig試圖通過解決C開發(fā)人員面臨的問題來成為“更好的C語言”，而Rust試圖成為“更好的C++”語言。

3、Zig 如何成為最好的 C 替代品？

C語言現(xiàn)在有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也有了幾個(gè)實(shí)現(xiàn)。例如，你可以在GNU/Linux系統(tǒng)上使用GNU C編譯器，在macOS上使用Apple Clang，在Windows上使用MSVC。C也有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫實(shí)現(xiàn)，如libc、Microsoft C運(yùn)行庫、BSD libc、musl、Bionic等。

一個(gè)編譯器實(shí)現(xiàn)和一個(gè)基本的標(biāo)準(zhǔn)庫是不足以高效地構(gòu)建軟件系統(tǒng)的——C程序員需要使用構(gòu)建系統(tǒng)、包管理器、測試運(yùn)行器等。對(duì)于這些工具，他們要么必須使用現(xiàn)有的第三方工具，要么編寫自己的工具(如BuildZri構(gòu)建系統(tǒng))。

Zig提供了一個(gè)內(nèi)置的構(gòu)建系統(tǒng)、包管理器和測試運(yùn)行器。Zig通過為C開發(fā)人員經(jīng)常面臨的問題提供解決方案來與C競爭。例如，Zig的官方編譯器支持交叉編譯，并且內(nèi)置的測試運(yùn)行器可以執(zhí)行放在源代碼本身內(nèi)部的測試用例。Zig的語言設(shè)計(jì)傾向于通過維護(hù)類似C的硬件友好設(shè)計(jì)來提供更高效的開發(fā)人員友好特性。Zig是硬件友好的，但它是最小的、安全的、語法上類似Rust的和現(xiàn)代的。因此，開發(fā)人員可以比C更高效地使用它。

看看下面這些簡單的Zig代碼片段，來理解Zig未來的、硬件友好的語言概念：

const std = @import("std");

pub fn main() void {
    var nums = [_]u8{1, 2, 4, 5, 120};
    var x: usize = 3;
    var nums_seg = nums[1..x];

    std.debug.print("{any}\n", .{nums_seg});        // { 2, 4 }
    std.debug.print("{}\n", .{@TypeOf(nums_seg)});  // []u8 (slice)
}

Zig不像C語言那樣使用預(yù)處理器或宏系統(tǒng)來處理導(dǎo)入——它使用類似nodejs的模塊導(dǎo)入語法和內(nèi)置的@import函數(shù)。這里，我們使用u8基本類型創(chuàng)建了一個(gè)無符號(hào)字節(jié)大小的整數(shù)數(shù)組。然后，我們使用Zig切片概念從數(shù)組創(chuàng)建一個(gè)切片。正如你所看到的，Zig提供了一個(gè)類似于C的硬件友好的原子類型系統(tǒng)，但是它使用更好的標(biāo)準(zhǔn)化、自解釋的命名來改進(jìn)它們，而不像c中那樣使用char、short、long等。

C通常要求程序員自己保護(hù)他們的程序，但是Zig實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的內(nèi)存安全特性。嘗試將256添加到上面的字節(jié)數(shù)組。如果你用C語言做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，程序會(huì)靜默地存儲(chǔ)一個(gè)不正確的值。在Zig中，你會(huì)得到一個(gè)編譯錯(cuò)誤，因?yàn)?55是無符號(hào)字節(jié)類型可以表示的最大值:        

Zig 編譯器顯示的整數(shù)溢出檢查，作者的屏幕截圖

Zig的內(nèi)置測試運(yùn)行器和單元測試API允許你在源文件中編寫測試:

const std = @import("std");

fn add(a: i8, b: i8) i8 {
    return a + b;
}

test "add returns the summation" {
    try std.testing.expectEqual(add(10, 5), 15);
}

我從未在其他流行語言中見過像Zig這樣高效的C-互操作。大多數(shù)語言使用FFI(外部函數(shù)接口)來實(shí)現(xiàn)C-互操作，但是Zig允許你調(diào)用C，甚至不需要在Zig范圍內(nèi)定義C函數(shù)。當(dāng)你導(dǎo)入C頭文件時(shí)，它會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型:

const std = @import("std");
const c = @cImport({
    @cInclude("stdio.h");
});

pub fn main() void {
    var a: u8 = 10;
    var char_count = c.printf("a = %d\n", a); // a = 10

    std.debug.print("{}\n", .{@TypeOf(char_count)}); // c_int
    std.debug.print("{}\n", .{char_count}); // 7
}

如上面的代碼片段所示，Zig允許你像調(diào)用本地Zig函數(shù)一樣調(diào)用C函數(shù)，但是使用自定義前綴(經(jīng)常使用C)。

Zig沒有提供一個(gè)內(nèi)置的字符串類型，但是它允許你通過一個(gè)類似C語言的、低級(jí)的、基于字符數(shù)組的字符串處理概念和有用的快捷方式來處理字符串：

std.debug.print("{s}\n", .{"Zig" ++ "Lang"});   // ZigLang (concatenation)
std.debug.print("{s}\n", .{"Zig" ** 5});   // ZigZigZigZigZig (repetition)
std.debug.print("{}\n", .{@TypeOf("string")});   // *const [6:0]u8 (a pointer to an unsigned byte array)

Zig語言更接近硬件層，但它實(shí)現(xiàn)了各種快捷方式和現(xiàn)代語言概念(即，切片、內(nèi)置函數(shù)、循環(huán)簡寫等)，為系統(tǒng)編程提供了一種高效的語言。其功能齊全的模塊化標(biāo)準(zhǔn)庫幫助Zig超越了系統(tǒng)編程。它為你提供了你在通用編程語言中尋求的控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本算法，這也非常適合系統(tǒng)編程。

Zig工具鏈的特性，如交叉編譯和構(gòu)建系統(tǒng)API，激勵(lì)程序員在現(xiàn)代系統(tǒng)編程中選擇Zig而不是C！對(duì)于現(xiàn)有的C代碼庫，Zig工具鏈提供了一個(gè)可替換的C/ C++編譯器和C互操作，因此程序員可以將傳統(tǒng)的C代碼庫增量地遷移到現(xiàn)代的Zig。

4、Zig語言和工具鏈的突出特點(diǎn)

我們討論了一些突出的Zig語言/工具鏈?zhǔn)聦?shí)，并了解了它如何以成為“更好的C”語言為目標(biāo)。許多Zig特性促使我們選擇它作為系統(tǒng)編程的C替代方案。

看看以下突出顯示的功能總結(jié):

• Zig提供的不僅僅是一種簡單的語言——它是一個(gè)功能齊全的工具鏈，用于開發(fā)、測試、構(gòu)建和發(fā)布系統(tǒng)編程項(xiàng)目
• 它的開發(fā)人員友好的CLI可以立即支撐可執(zhí)行和共享庫項(xiàng)目。
• Zig允許您調(diào)用C，但它不依賴于C——libc是Zig二進(jìn)制文件的可選組件。
• Zig沒有專用的運(yùn)行時(shí)，因?yàn)樗鼪]有自動(dòng)垃圾收集器——所以它可以生成快速、輕量級(jí)的二進(jìn)制文件。
• 盡管Zig通常是一種中級(jí)語言，但它提供了現(xiàn)代的通用特性，如異步編程語法、泛型和類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換(自動(dòng)和手動(dòng))。
• Zig工具鏈可以通過交叉編譯來編譯C/ C++，因此您可以在使用Zig語言之前使用它的C/ C++編譯器來構(gòu)建現(xiàn)有的C代碼庫。
• 一個(gè)編寫良好的、模塊化的、功能齊全的標(biāo)準(zhǔn)庫，包括跨平臺(tái)的操作系統(tǒng)級(jí)api，如Python。
• 它提供了生產(chǎn)力優(yōu)先的語言特性，而不會(huì)損害硬件友好的系統(tǒng)編程環(huán)境，例如，for-in循環(huán)、多個(gè)切換用例(切換范圍)、內(nèi)聯(lián)for、切換語句等。
• 它附帶了基于流行的C編程模式的基于枚舉的錯(cuò)誤處理方法，沒有復(fù)雜的、容易出錯(cuò)的異常概念。
• 它允許您通過分配器概念和defer關(guān)鍵字進(jìn)行手動(dòng)內(nèi)存管理。

5、具有長期計(jì)劃的替代方案

到目前為止，我們已經(jīng)討論了如何通過語言和工具鏈特性使Zig成為更好的C替代方案。性能如何?它的性能比C好嗎?

所有沒有專用運(yùn)行時(shí)的語言，如C、C++、Rust和Zig，都會(huì)從用特定語言編寫的每個(gè)源代碼生成原始匯編，因此系統(tǒng)編程語言的性能取決于二進(jìn)制文件中匯編代碼的質(zhì)量。系統(tǒng)編程語言的編譯器要么使用LLVM優(yōu)化，要么使用它們自己的成熟優(yōu)化，因此很難說哪種語言更快——系統(tǒng)編程性能通常取決于程序員編寫的算法。

然而，Zig官方文檔聲稱，由于基于llvm的優(yōu)化和增強(qiáng)的未定義行為，Zig比C運(yùn)行得更快。此外，Zig還計(jì)劃通過移除作為依賴項(xiàng)的LLVM來進(jìn)一步改進(jìn)Zig。Zig軟件基金會(huì)(ZSF)積極維護(hù)該項(xiàng)目，并接受來自社區(qū)的新設(shè)計(jì)建議。

Zig充滿希望的未來使它成為最好的C語言替代品，甚至促使C程序員將他們現(xiàn)有的代碼庫遷移到現(xiàn)代的Zig。

6、結(jié)語

在這個(gè)故事中，我們討論了Zig如何通過提供小型的、開發(fā)人員友好的、硬件友好的、高效的、高性能的和安全的語言設(shè)計(jì)，成為“更好的C”語言。改進(jìn)的語言設(shè)計(jì)和工具鏈幫助Zig在使用C的用例中表現(xiàn)良好，例如構(gòu)建操作系統(tǒng)、庫、云計(jì)算模塊和框架。此外，其未來的語言功能甚至可以與流行的Go語言競爭!

盡管Zig或任何其他未來的系統(tǒng)編程語言永遠(yuǎn)不會(huì)“取代”C/C++，但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，Zig已經(jīng)成為有史以來最好的C語言替代品之一。

參考鏈接：

https://medium.com/gitconnected/the-best-c-alternative-is-zig-7236e775ae4f