Zig是期待已久的C语言替代者吗？

与C++、D、Java、C#、Go、Rust和Swift等之前的C竞争对手的比较在很多方面，我的整个编程生涯就像是漫长的等待替代C的等待。20年前，尽管我使用C++。随着时间的推移，我了解到C++是一个复杂的怪物，无论我读了多少书都无法驯服。我认为YossiKreinin和他的C++常见问题解答(https://yosefk.com/c++fqa/)很好地总结了我讨厌C++的所有方面。所以当谈到成为一名专业的C++程序员时，我总是会考虑其他选择。第一个有前途的替代品是D。D最初看起来很有前途，但仔细观察后，我认为D实际上只是一个根本上不好的想法的清理版本。C++的主要问题之一是它的接收器语言设计方法。在用C和Lua实现一个简单的游戏引擎的时候，我发现这两种语言的想法其实都比C++少。它让我重新爱上了C。尽管有其局限性，但C是一种相当简单的语言，提供了很多控制。Java和C#在很多方面只是试图重新实现C++。他们可能让事情变得更简单，但他们最终陷入了虚拟机和90年代面向对象编程的炒作中。并不是说Java或C#不好，很大程度上可能与支持臃肿的IDE和过度设计的语言的相关社区有关。C简洁性的回归从Google转向Go是对冗余C++、D、Java和C#的告别。Go将我们带回到我们开始的地方，回到C。如果你不冒险走C++的道路，Go会重新想象C可能是什么。我们得到的是一种简单的语言，它解决了我在使用C时经常遇到的许多问题。但是故事还没有结束。在Go之后，我们得到了Rust。最初，我认为Rust实际上一直是D应该的样子。真正重新思考C++应该是什么。Rust保持低级控制、高级抽象机制和手动内存管理，但增加了无与伦比的类型安全性。一切看起来都好得令人难以置信。坦率地说，我是这么认为的。我记得能够在两天内用Go编写一些不错的程序。朱莉娅，我目前最喜欢的也有点相似。另一方面，学习Rust就像学习Haskell。在做任何有用的事情之前，只需要了解很多概念和理论。如果C++教会了我任何东西，那就是重视简单性，而Rust没有。后来从网上很多Rust用户的评论中了解到，Rust重复了C++的一个主要缺点。它的编译时间真的很慢。我认为没有什么比等待C++编译更能破坏我编程的乐趣了。听起来Rust更糟。那是一个交易破坏者。Swift-我想爱的语言我已经成为Apple的铁杆粉丝20年了。在iPhone出现之前，我很喜欢CocoaGUI库和Objective-C编程，突然之间每个人和他们的宠物都在使用Objective-C编程。是的，Objective-C有点笨重，但它的简单性也有一定的美感。与C++不同，它是对C语言的一个相当简单的补充。有了经验，您实际上可以非常快速地教初级开发人员Objective-C。所以Swift的发布让我觉得我已经达到了编程的必杀技。最后，一种与Objective-C很好集成的非常现代的语言，因此我们仍然可以使用像Cocoa这样的伟大的Apple库。Swift从Rust中借鉴了很多想法，在很多方面，我认为我们终于为普通人提供了Rust。Swift可以在相当短的时间内学会。但我对Swift的体验是喜忧参半的。即使在今天，我仍然无法正确使用语言，因为它似乎解决了很多问题。我将一个iPhone应用程序从Objective-C移植到Swift。我有过的最好的经历之一是Swift发现了一大堆错误，仅仅是因为严格的类型系统捕获了在Objective-C中不可见的问题，在编译时至少是关于类型的，这很好已知。我会说与C++、C#和Java相比，Swift是更好的语言。Swift用C++解决了我几乎所有的具体问题。但每次使用Go时，我都意识到编写Go程序比Swift有趣得多。但是Go的错误处理有点糟糕，它用空指针重复了百万美元的错误。Swift避免了这两个问题。当我在上次使用Julia很长时间后回到Swift时，我看到Swift的一些问题变得更加清晰：Swift语法不适合函数式编程Smalltalk-inspiredsyntaxinheritedfromObjective-Cinobject-orientedprogrammingworksfinein，但是对于函数式编程来说很糟糕。作为一等公民使用函数时，您无需费心确保参数名称正确。面向对象编程和函数式编程之间的休战。Swift试图为两个不同的主人服务，并为此受苦。在进行非常务实风格的编程时，您希望您的函数主要是自由函数。这些更容易在功能设置中传递和使用。但Swift最终主要面向OOP人群，将函数放在方法中。一旦你完成了大量的函数式编程，这会变得很麻烦。Zig在编程世界中处于什么位置？所以Swift从未真正成为我最终的通用编程语言。如果我想在更高的抽象层次上编程，获得高性能并完成工作，我会选择Julia。但这仍然为C之类的替代方案留下了未填充的空间。Julia无法真正取代C。它会占用内存，不会生成小的二进制文件，并且不适合使库可供其他语言使用。您不想用它来创建操作系统内核或对微控制器进行编程。Go和Rust都非常接近于取代C。Go远离了C的简单性和感觉。但它并不能完全取代使用垃圾收集的C。与Java相比，Go对内存使用的更多控制仍然毫无价值，因为您可以获得指针并实际创建自己的辅助分配器。Rust减少了手动内存分配，但没能复制C的简单和感觉。也许这两种语言之间有什么可以填补的？有。我认为这是齐格。Zig比Go更复杂，但比Rust更容易学习和使用。但是，这样的Zig摘要并不能使语言公正。Zig带来了许多新想法，这是有道理的，并使Zig编码体验非常独特。但在我们深入研究之前，让我们先了解一下基础知识。掌握正确的基础如果我们要学习另一种类似C的语言，我们将无法重复C++最糟糕的部分，例如糟糕的编译时间。Zig是如何解决这些问题的？我遇到了V编程语言的创建者AlexanderMedvednikov的测试。这是一个编译具有400K函数的文件的测试：C5.2秒gcc测试C++1分25秒g++test.cppZig10.1秒Zigbuild-exetest.zigNim45秒nimctest.nimRust30Rust在之后停止Swift30分钟的rustctest.rs在30分钟的swiftc测试后停止D在dmd测试6分钟后出现段错误。dV0.6秒v测试vRust，Swift和D均失败。Medvednikov用更少的行进一步测试了这些语言，Rust再次表现出最差的预期。从名单中可以看出，Zig是最突出的演员。虽然很难不注意到V语言在几分之一秒内就完成了这一切。这提醒我更详细地探索V。快速扫描显示它可以手动分配内存、泛型和可选（必须明确允许空指针）。Zig内存分配如果没有手动内存管理，您将无法使用C。任何进行C风格编程的人都期望这一点。如果我不需要，那么我可以对Julia进行编程。Zig没有提供Rust提供的那种最高安全性，但它确实获得了一个更容易让初学者掌握和使用的模型。任何需要在Zig中分配内存的东西都需要一个分配器作为参数。所以Zig非常明确何时需要内存管理。这是我编写的一个简单函数，它采用32位无符号整数n并将其拆分为十进制数字：fndecimals(alloc:*Allocator,n:u32)!Array(u32){varx=n;vardigits=Array(u32)。init(alloc);errdeferdigits.deinit();while(x>=10){trydigits.append(x%10);xx=x/10;}trydigits.append(x);returndigits;}请注意数组用于保存各个小数位的数字必须使用分配器进行分配，分配器是decimal函数的参数。这就是Zig真正闪耀的地方。确保您不会忘记分配内存在C中很难。而且很容易在错误的位置结束内存。Zig复制了Go的延迟概念。但除了推迟它还有errdefer。如果您不了解Go，延迟本质上是一种推迟执行一行或代码块直到函数退出的方法。为什么这样好？因为它允许您确保某些代码运行，而不管在退出函数之前使用的任何复杂的if-else语句。errdeferdigits.deinit();上面这行与普通的Godefer不同，它只有在返回错误代码时才会执行。所以如果一切正常，它永远不会运行。在呼叫站点，我们将使用常规延迟来确保我们不会忘记释放分配给该号码的内存。constdigits=trydecimals(allocator,4123);deferdigits.deinit();for(digits.items)|digit|{tryprint("{},",.{digit});}根据我用Zig玩游戏的有限经验，我会说这是一个很好的系统。allocators和defer的组合使得你想要分配和释放内存的位置非常清楚，同时也很容易正确地做到这一点。C与许多类C语言兼容的问题是它们不能很好地与C一起玩。这意味着从该语言调用C函数应该很容易，调用一个函数应该很容易从C到那种语言。此外，您编写程序的一般方式应该与C完全兼容，因此您不必创建大型C抽象级别。例如。C++对C不是很友好，因为如果不进行大量包装，就无法在C中使用典型的C++库。但是Zig非常C，因为它不会暴露C没有得到的奇怪东西。结构中没有vtable（C++中的虚函数表）。没有C知道如何调用的构造函数或析构函数。无一例外，C也抓不住。从Zig使用C很容易。事实上，Zig的创建者会声称Zig比C本身更擅长使用C库。constc=@cImport({@cDefine("_NO_CRT_STDIO_INLINE","1");@cInclude("stdio.h");});pubfnmain()void{_=c.printf("hello\n");}如您所见，Zig可以毫无问题地解析C头文件并包含来自C的类型和函数。实际上Zig是一个完整的C编译器。如果需要，您可以使用Zig来编译C程序。此外，将Zig函数暴露给C也很容易。这是一个Zig函数，它接受一个32位整数并返回一个32位整数。exportfnadd(a:i32,b:i32)i32{returna+b;}通过将export放在它前面，使我们与程序链接的C代码可以访问它。其实我们的main函数是在C代码段定义的，使用了Zig中定义的函数。#includeint32_tadd(int32_ta,int32_tb);intmain(intargc,char**argv){assert(add(42,1337)==1379);return0;}这意味着你可以很容易地开始比较一些部分大型C程序的一部分转换为Zig并继续编译。在移植程序时，这是一个非常强大的功能。过去让我很容易从Objective-C移植到Swift的是，我可以一次用Swift版本替换一个Objective-C方法，编译并查看一切仍然有效。事实上，Zig允许您自动将C程序转换为Zig代码，从而使它变得更容易。这是Zig编译器内置的：$zigtranslate-cfoobar.c当然，这段代码不是最优的，可能有点混乱。但这有点像使用谷歌翻译进行自然语言翻译。这是一个很好的起点，可以节省大量体力劳动。您可以稍后自己手动修复详细信息。极简主义极简主义首先吸引了很多人使用C编程。这就是Go所做的正确的事情，并使编程成为一种乐趣。您可以轻松地将整个程序记在脑海中。现在，如果您开始阅读Zig并查看我在此处提供的源代码示例，它可能看起来很复杂。有些语言结构可能看起来很奇怪。它很容易让人觉得它是一种复杂的语言。所以弄清楚Zig不支持的所有东西实际上非常有用：没有类继承，如C++、Java、Swift等。没有像Go这样通过接口的运行时多态性。没有仿制药。您不能像在编译时检查的Swift中那样指定通用接口。没有函数重载。您不能使用不同参数多次编写同名函数。不会抛出异常。没有关闭。没有垃圾收集。没有用于资源获取的构造函数和析构函数是初始化（RAII）。然而，通过巧妙地使用一些核心特性，Zig能够提供几乎相同的功能：类型可以像对象一样在编译时传递。标签联盟。在其他编程语言中也称为总和类型或变体。函数指针。实指针和指针算术。Zig代码可以在编译时进行部分评估。您可以使用comptime关键字在编译时将代码标记为可执行。函数和类型可以与结构相关联，但不能物理存储在结构中，因此它们对C代码是不可见的。在Zig中模拟泛型，例如。通过利用在编译时运行代码的能力，在Julia中创建了类似于模板的东西。LorisCro有一篇优秀的文章对此进行了更详细的描述。我将仅使用那篇文章中的示例来快速了解这个想法。例如，我们可以定义一个名为LinkedList的函数，该函数只能在编译时调用，它获取链表中元素的类型并返回包含元素的链表的类型：fnLinkedList(comptimeT:type)type{returnstruct{pubconstNode=struct{prev:?*Node=null,next:?*Node=null,data:T,};first:?*Node=null,last:?*Node=null,len:usize=0,};}this利用了结构可以是匿名的这一事实。你不需要给他们一个名字。但是，此功能需要一些包装。注意这部分：pubconstNode=struct{prev:?*Node=null,next:?*Node=null,data:T,};这里有很多特定于Zig的功能需要一些解释。在Zig中，可以在定义结构时给结构成员赋值。成员可以是编译时或运行时存在的字段。上一篇：?*Node=null是编译时存在但默认值为null的结构字段示例。那疯狂的*前缀呢？在Zig中，*Node表示指向类似于C/C++的Node类型对象的指针。但是，由于Zig不允许指针为空，除非明确允许，所以?必须添加。指示指针可能为空。节点本身被设置为周围匿名结构的字段。但是，由于它被定义为const，它只存在于编译时。如果在运行时查看LinkedList结构的内存，是找不到Node对应的区域的。还要记住，虽然您可以在编译时将类型用作任何其他对象，但它们在运行时不存在于Zig中。所以基本上我们在这里做的是创建具有嵌套类型的结构。让我用LorisCro的一个例子来更好地解释。首先，他创建了一个包含点的链表并将其分配给一个名为PointList的变量，该变量仅在编译时存在：constPointList=LinkedList(Point);然后我们可以使用这个新创建的类型实例化一个空列表。varmy_list=点列表{}；我们不需要为first、last和len指定任何初始值，因为它们有默认值。这里我们使用嵌套类型创建一个节点对象来保存我们的点数据：constp=Point{.x=0,??.y=2,.z=8};varnode=PointList.Node{.data=p};my_list.first=&node;my_list.last=&node;my_list.len=1;在Zig中模拟接口尽管Zig没有类或面向对象语言等接口的关键字，但我们仍然可以构建自己的运行时和更多生态系统，类似于C程序员多年来所做的事情。您只需使用函数指针定义结构。在Unix内核中，您会看到可以对任何文件描述符进行的类似操作，无论它们是文件、套接字还是管道。typedefstruct_File{void(*write)(void*fd,char*data);void(*read)(void*fd,char*buffer,intsize);void(*close)(void*fd);}文件;这不完全是如何定义的。我只是凭记忆做的。这允许我们做的是为文件、套接字和管道提供不同的打开功能。然而，由于它们都为我们提供了File结构，其他函数可以使用它包含的这些函数指针来操作它，从而抽象出底层结构的差异。在Zig中，我们使用NathanMichaels在此处更详细描述的类似方法。Zig提供了比C更好的功能，因此您会看到Zig在创建通用迭代器、分配器、读取器、写入器等方面使用了更多功能。有人可能会问，为什么不把这种东西写成语言呢？如果你曾经使用过Lua，你就会明白它的一些优点，而不是给你构建块来创建一个面向对象的系统，而不是硬连线它。使用Zig，您可以构建C++风格的面向对象系统，类似于Go甚至是更动态的语言（如Objective-C）中的面向对象编程。这种本土方法可能非常有效。我们已经看到LISP程序员使用它在LISP中构建面向对象的编程系统，甚至创建类似于Julia的多调度系统。