Zig 替代 C，將成定局！

作者丨 Shalitha Suranga

編譯丨諾亞

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

新語言層出不窮之時，舊語言的中年危機就會愈發凸顯。但像 C++、C 好似一直穩坐釣魚臺，“一直被唱衰，但從未被打倒”。

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

本篇文章具體解釋了目前在所有 C 的替代品中，Zig 爲什麼是最好的，以及 Zig 本身已經有了可行的替代 C 的計劃，諸君不妨一探究竟。

C 那麼牛，爲什麼會有許多替代品？

誠然，C 傲視羣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，是因爲它是每個現代軟件系統組件的創造者。開發人員用 C 語言製作 web 服務器、數據庫、操作系統、框架、編程語言、雲組件和許多軟件組件。儘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，因爲整個計算機歷史都是用 C 語言創造的。

但資格老的語言總是不太能跟上 “現代開發” 的腳步。C++ 語言通過實現面向對象的概念、生產語言特性和通過保持 C 語言的性能優先設計的標準庫 API，爲現代開發人員改進了 C 語言語法。也有一些 C 替代方案可以解決每個 C 開發人員面臨的問題。Zig、D、Go 和 Odin 是流行的 C 語言替代品。

Zig 展示了一個充滿希望的未來，有一個內置的包管理器、一個構建系統、類似 C 但更好的語言語法、一個功能齊全的標準庫和一個不斷增長的社區。像 Uber 這樣的大企業也開始使用 Zig 工具鏈進行交叉編譯。此外，一些軟件公司開始使用基於 Zig 的代碼存儲庫開展業務。我將用這個故事解釋 Zig 如何成爲 C 語言的最佳選擇。

爲什麼 Zig 只能替代 C，而不是 C++

系統編程通常指的是開發更接近計算機硬件或操作系統層的東西。系統編程通常實現可以運行其他軟件系統的軟件模塊。編寫操作系統、應用程序框架和嵌入式系統是系統編程的好例子。系統程序員主要有兩種語言類型選擇:

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

Zig 如何成爲最好的 C 替代品？

C 語言現在有一個標準規範，也有了幾個實現。例如，你可以在 GNU/Linux 系統上使用 GNU C 編譯器，在 macOS 上使用 Apple Clang，在 Windows 上使用 MSVC。C 也有多個標準庫實現，如 libc、Microsoft C 運行庫、BSD libc、musl、Bionic 等。

一個編譯器實現和一個基本的標準庫是不足以高效地構建軟件系統的——C 程序員需要使用構建系統、包管理器、測試運行器等。對於這些工具，他們要麼必須使用現有的第三方工具，要麼編寫自己的工具 (如 BuildZri 構建系統)。

Zig 提供了一個內置的構建系統、包管理器和測試運行器。Zig 通過爲 C 開發人員經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，並且內置的測試運行器可以執行放在源代碼本身內部的測試用例。Zig 的語言設計傾向於通過維護類似 C 的硬件友好設計來提供更高效的開發人員友好特性。Zig 是硬件友好的，但它是最小的、安全的、語法上類似 Rust 的和現代的。因此，開發人員可以比 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 語言那樣使用預處理器或宏系統來處理導入——它使用類似 nodejs 的模塊導入語法和內置的 @import 函數。這裏，我們使用 u8 基本類型創建了一個無符號字節大小的整數數組。然後，我們使用 Zig 切片概念從數組創建一個切片。正如你所看到的，Zig 提供了一個類似於 C 的硬件友好的原子類型系統，但是它使用更好的標準化、自解釋的命名來改進它們，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他們的程序，但是 Zig 實現了嚴格的內存安全特性。嘗試將 256 添加到上面的字節數組。如果你用 C 語言做這個實驗，程序會靜默地存儲一個不正確的值。在 Zig 中，你會得到一個編譯錯誤，因爲 255 是無符號字節類型可以表示的最大值:        

         

Zig 編譯器顯示的整數溢出檢查，作者的屏幕截圖

Zig 的內置測試運行器和單元測試 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。大多數語言使用 FFI(外部函數接口) 來實現 C - 互操作，但是 Zig 允許你調用 C，甚至不需要在 Zig 範圍內定義 C 函數。當你導入 C 頭文件時，它會自動創建結構類型:

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 允許你像調用本地 Zig 函數一樣調用 C 函數，但是使用自定義前綴 (經常使用 C)。

Zig 沒有提供一個內置的字符串類型，但是它允許你通過一個類似 C 語言的、低級的、基於字符數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，但它實現了各種快捷方式和現代語言概念 (即，切片、內置函數、循環簡寫等)，爲系統編程提供了一種高效的語言。其功能齊全的模塊化標準庫幫助 Zig 超越了系統編程。它爲你提供了你在通用編程語言中尋求的控制結構、數據結構和基本算法，這也非常適合系統編程。

Zig 工具鏈的特性，如交叉編譯和構建系統 API，激勵程序員在現代系統編程中選擇 Zig 而不是 C！對於現有的 C 代碼庫，Zig 工具鏈提供了一個可替換的 C/ C++ 編譯器和 C 互操作，因此程序員可以將傳統的 C 代碼庫增量地遷移到現代的 Zig。

Zig 語言和工具鏈的突出特點

我們討論了一些突出的 Zig 語言 / 工具鏈事實，並瞭解了它如何以成爲 “更好的 C” 語言爲目標。許多 Zig 特性促使我們選擇它作爲系統編程的 C 替代方案。

看看以下突出顯示的功能總結:

具有長期計劃的替代方案

到目前爲止，我們已經討論瞭如何通過語言和工具鏈特性使 Zig 成爲更好的 C 替代方案。性能如何? 它的性能比 C 好嗎?

所有沒有專用運行時的語言，如 C、C++、Rust 和 Zig，都會從用特定語言編寫的每個源代碼生成原始彙編，因此係統編程語言的性能取決於二進制文件中彙編代碼的質量。系統編程語言的編譯器要麼使用 LLVM 優化，要麼使用它們自己的成熟優化，因此很難說哪種語言更快——系統編程性能通常取決於程序員編寫的算法。

然而，Zig 官方文檔聲稱，由於基於 llvm 的優化和增強的未定義行爲，Zig 比 C 運行得更快。此外，Zig 還計劃通過移除作爲依賴項的 LLVM 來進一步改進 Zig。Zig 軟件基金會 (ZSF) 積極維護該項目，並接受來自社區的新設計建議。

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

在這個故事中，我們討論了 Zig 如何通過提供小型的、開發人員友好的、硬件友好的、高效的、高性能的和安全的語言設計，成爲 “更好的 C” 語言。改進的語言設計和工具鏈幫助 Zig 在使用 C 的用例中表現良好，例如構建操作系統、庫、雲計算模塊和框架。此外，其未來的語言功能甚至可以與流行的 Go 語言競爭!

儘管 Zig 或任何其他未來的系統編程語言永遠不會 “取代”C/C++，但隨着現代化進程的加速，Zig 已經成爲有史以來最好的 C 語言替代品之一。

參考鏈接：

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

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/drinWKaV9rPnfkAanDwg8A

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