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对比其它编程语言 C语言为什么仍占据统治地位?

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没有什么技术可以应用长达50年之久,除非它真的比大多数其他东西都要好用——对于一种计算机行业的技术来说尤其如此。自1972年诞生以来,C语言一直保持生龙活虎的状态,时至今日它仍然是我们用来搭建软件世界的基础建筑材料之一。

但有时一种技术能够长期存在,只是因为人们还没有来得及发明新的东西来取代它而已。在过去的几十年里,出现了许多其他语言——其中一些明确地被设计用于挑战C的主导地位,有些语言试图凭借自己的人气慢慢瓦解C语言的统治地位。

为C需要被替换掉的观点争辩是简单的。编程语言研究和软件开发实践都暗示了如何比C更好地去做事。但历经数十年的研究和开发,C语言的地位却依旧稳固。很少有其他语言能够在性能、裸机兼容性或通用性等方面击败它。不过,2018年C是如何与那些明星编程语言竞争的呢,其中细节仍值得一看。

 

C vs. C ++

当然了,C最常被拿来与C ++进行比较,正如其名称本身所暗示的那样,C++作为对C语言的扩展而被创建出来。C ++和C之间的差异可以概括为C++更加广泛(褒)或更加宽泛(贬),具体取决于这个问题你是问的C还是C++程序员。(笑)

虽然C ++的语法等方面仍然是类C的,但它提供了许多在原生的C中本不可用的非常实用的功能:命名空间(namespace),模板(template),异常(exception),自动内存管理(automatic memory management)等等。需要顶级性能的项目,例如涉及数据库,机器学习系统的项目通常是用C ++编写的,以便项目能尽可能地榨取以及利用到每一点性能。

此外,与C相比,C ++在持续地更加积极地扩展。即将推出的C ++ 20会带来更多功能供开发者享用,包括模块,协同程序,同步库,以及概念,这些使模板更易于使用。C standard的最新版本只进行了少量更新,并侧重于保持向后兼容性。

事实上,C ++中的所有附加功能同样也可能成为累赘。而且是很大的累赘。您使用的C ++专属功能越多,引入的复杂度就越高,对结果的修正就越困难。将自己局限于仅一个C ++子集的开发人员可以避免许多开发中严重的坑和额外负担。但是有些团队想要从根儿上防范C ++的过度复杂性。坚持使用C能迫使开发人员将自己局限于一个子集。例如,Linux内核开发团队就直接避开了C ++。

选C而不选C++对您——以及任何将会维护你代码的开发人员——来说都是可行的,通过采用强制简约主义来避免与C ++的复杂性纠缠。当然,C ++拥有丰富的高级功能,这是有它自己的道理的。但如果极简主义更适合当前和未来的项目——以及负责项目的团队——那么还是选C更明智一些。

 

C vs. Java

几十年了,Java仍然是企业软件开发的主力军之一——并且也是宽泛而言的开发的主力军之一。许多最重要的企业软件项目都是用Java编写的——包括绝大多数Apache Software Foundation项目——而Java仍然是开发企业级需求项目的可行语言。

Java的语法从C和C ++中借鉴了很多东西。但是,与C不同的是,Java默认情况下不会编译为本机代码。相反,Java运行时环境,JVM,JIT(实时)编译Java代码以在目标环境中运行。在适当的情况下,JIT编译后的Java代码可以接近甚至超过C的性能。

Java背后的“一次编写,随处运行”的理念也允许Java程序在目标架构上进行相对较少的调整即可运行。相比之下,虽然C已被移植到许多架构中,但任何给定的C程序仍可能需要重新量身定做才能在,打个比方,Windows与Linux,两种不同的os之间正常运行。

这种可移植性和强大性能的结合,以及庞大的软件库和框架组成的生态,使Java成为构建企业应用程序的首选语言。

Java输给C的地方是一个Java从未打算竞争的领域:靠近底层结构运行,或直接与硬件打交道。C代码被编译成机器代码,由进程直接执行。Java被编译成字节码,这是一种随后会被JVM解释器转换为机器代码的中间代码。此外,尽管Java的自动内存管理在大多数情况下都是个优点,但C更适合于必须充分利用有限内存资源的情况。

也就是说,在某些方面,Java在速度方面可以接近于C。JVM的JIT引擎在运行时根据程序行为优化例程,允许进行许多类型的优化,而这些优化是在未提前编译的C中无法实现的。虽然Java运行时自动执行内存管理,但一些较新的应用程序可以解决这个问题。例如,Apache Spark部分地通过使用绕过JVM的自定义内存管理代码来优化内存中处理。

 

C vs. C#和.Net

在推出近二十年后,C#和.Net 框架仍然是企业软件世界的主要组成部分。有人说C#和.Net是微软对Java的回应——一个托管代码编译器系统和通用运行库——C和Java之间的许多种对比也适用于C和C#或.Net之间。

与Java(以及某种程度上来说Python也是如此)一样,.Net提供跨各种平台的可移植性和庞大的集成软件生态系统。考虑到.Net世界中有多少面向企业的开发,这些都是不小的优势。当您使用C#或任何其他.Net语言开发程序时,您可以使用为.Net运行时编写的大量工具和库。

.NET另一个类似Java的优势是JIT优化。C#和.Net程序可以按照C语言提前编译,但它们主要由.Net运行时进行即时编译,并使用运行时信息进行优化。JIT编译允许对无法在C中执行的运行着的.Net程序进行各种就地优化。

与C一样,C#和.Net提供各种直接访问内存的机制。堆,栈和非托管系统内存都可以通过.Net API和对象访问。开发人员可以使用.Net中的unsafe模式来实现更高的性能。

但这些都不是没有代价的。托管对象和unsafe对象不能被任意交换,并且它们之间的编组会降低性能。因此,要最大化.Net应用程序的性能需要将托管和非托管对象之间的变动保持在最低限度。

如果您无法承担托管与非托管内存之间变动造成的性能损失,或者.Net运行时对于目标环境(例如,内核空间)来说是一个糟糕的选择,或者可能根本不可用,那么C就是你所需要的。与C#和.Net不同,C被默认可以解锁对内存的访问权。

 

C vs. Go

Go的语法很大程度上借鉴了C——花括号作为定界符,语句以分号结束,等等。精通C的开发人员通常可以毫不费力地直接使用Go,甚至算上Go的独有功能,如命名空间和包管理,对开发人员来说也并不困难。

代码可读性是Go的指导设计目标之一:让开发人员可以轻松掌握任何Go项目,并在短时间内熟练掌握代码库。C代码库可能很难理解,因为它们很容易聚集大量专属于某个项目或某个团队的宏和和#ifdef。Go的语法及其内置的代码格式以及项目管理工具旨在避免这种结构性问题。

Go还提供了诸如goroutine和channel之类的附加功能,用于处理并发性和组件之间的消息传递的语言级别的工具。C需要开发者手动完成或由外部库提供,但Go提供了开箱即用的这些功能,使得构建需要这些功能的软件变得更加容易。

Go与C最深层次的不同之处在于内存管理方面。默认情况下,Go的对象会被自动管理并自动进行回收。对于大多数编程工作来说,这非常方便。但这也意味着任何需要确定性处理内存的程序都会更难编写。

Go确实包含了用于绕过Go的某些类型处理安全性的unsafe包,例如使用Pointer类型读取和写入任意内存。但unsafe会附带一个warning说用它编写的程序“可能是不可移植的,并且不受Go 1兼容性指南的保护。”

Go非常适合构建命令行实用程序和网络服务等,因为这些很少用到太过细致的操作。但是,如果是低级设备驱动程序,内核空间操作系统组件以及其他需要严格控制内存布局和管理的任务,那么就最好用C来创建。

 

C vs. Rust

在某些方面,Rust是对C和C ++创建的内存管理难题的回应,也是对这两种语言的许多其他缺点的回应。Rust编译为本机机器代码,因此就性能而言,它被认为与C相当。但默认情况下,内存安全才是Rust的主要卖点。

Rust的语法和编译规则可帮助开发人员避免常见的内存管理错误。如果程序有一个不符合Rust语法的内存管理问题,它就不会被编译。刚接触这种语言的新手,特别是以前用C语言的开发者,由于C语言为这类bug提供了充足的容错空间,所以他们接触Rust的第一步是学习如何安抚编译器。但Rust的支持者认为,这种短期的痛苦有一个长期的回报:更安全的,不会减缓速度的代码。

Rust还通过其工具改进了C语言。默认情况下,项目和组件管理是Rust提供的工具链的一部分,与Go相同。有一种默认的,推荐的方法来管理包,组织项目文件夹,以及处理C需要单独处理的其他许多事情,每个项目和团队以不同的方式处理它们。

然而,在Rust中被吹捧为优势的东西对于C开发者来说可能并没有太大吸引力。Rust的编译时安全功能无法禁用,因此即使是最小的Rust程序也必须符合Rust的内存安全限制。默认情况下,C可能不太安全,但在必要时它更灵活,更宽容。

另一个可能的缺点是Rust语言的大小。即使考虑到标准库,C的功能也相对较少。Rust功能集非常庞大并且还在不断增长。与C ++一样,较大的Rust功能集意味着更强大的功能,但也意味着更高的复杂度。C是一种较小的语言,但更容易在头脑中进行建模,因此可能更适合那些对Rust来说太小,不值得大动干戈的项目。

 

C vs. Python

当今,每当谈论软件开发时,Python似乎总是能出现在对话中。毕竟,Python是“对所有项目的第二佳语言”,毫无疑问是最通用的语言之一,拥有数千个第三方库。

Python强调的,以及它与C最不同的地方,是有利于开发速度而不是执行速度。一个可能需要一个小时才能用另一种语言写出来的程序——比如C——可能用Python几分钟内就能写好。另一方面,该程序在C中执行可能需要几秒钟,但需要一分钟才能在Python中运行完。(一个很好的经验法则:Python程序通常比它们对应的C语言程序运行速度慢一个数量级。)但是对于现代硬件上的许多工作,Python已经足够快了,这是它如今广泛应用的一个重要原因。

另一个主要区别是内存管理。Python程序完全由Python运行时进行内存管理,因此开发人员不必担心分配和释放内存的细节。但同样,开发人员的轻松也是以运行时性能为代价的。编写C程序需要严格关注内存管理,但生成的程序通常是纯机器速度的黄金标准。

但是,在二者的血脉中,Python和C共享一个深层的关系:Python运行时参考是用C语言编写的。这允许Python程序包装用C和C ++编写的库。第三方库的Python生态系统的很多重要模块,例如机器学习方面的库,其核心是C代码。

如果开发速度比执行速度更重要,并且如果程序的大多数高性能部分可以被隔离到独立组件中(而不是遍布整个代码),那么纯Python或Python和C库的混合使得会是比单独使用C更好的选择。否则的话,C仍然是老大。

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2019年7月4日 09:00
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