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常聽到C/C++,實際互相嫌棄,帶你了解C語言與C++的愛恨情仇!

2020-12-24 06:26:05 後端開發

 

70年代初,貝爾實驗室創建了C語言,它是開發UNIX的副產品,很快C就成為了最受歡迎的編程語言之一,但是對于Bjarne Stroustrup來說,C的表達能力還不夠,于是,他在1983年的博士論文中擴展了C語言,

 

于是,支持類的C語言誕生了,

 

當時,Bjarne Stroustrup明白編程語言有許多組成部分,除了語言本身,還有編譯器、聯結器和各種庫,提供熟悉的工具有助于語言被廣泛接受,在這種歷史背景下,在C語言的基礎上開發C++也是有道理的,

 

40年后,C和C++都在行業中得到了廣泛使用,但是,互聯網上的C開發人員認為C++是有史以來最糟糕的人類發明,而許多C++開發人員則希望有朝一日C語言灰飛煙滅,

     

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1、究竟發生了什么事?

 

從表面上看,C和C++都可以滿足相同的用例:高性能、確定性、原生但可移植的代碼,可用于最廣泛的硬體和應用程式,

 

但是,更讓C自豪的是它是一門低級語言,更接近匯編,

 

而C++,從誕生第一天開始就充斥了各種奇怪的東西,例如解構式這個黑魔法,自作主張的編譯器,盡管很早C++就有了型別推斷功能,但是80年代中期的開發人員還無法接受這個概念,因此Bjarne Stroustrup不得不洗掉了auto,直到C++ 11又重新添加回來,

 

從那以后,C++就不斷加入各種工具來實作抽象,很難說C++是一種低級語言還是高級語言,從設計目的上來說,C++兩者都是,但是在不犧牲性能的情況下,建立高級抽象是很困難的,于是C++引入了各種工具來實作constexpr、move語意、模板和不斷增長的標準庫,

 

從根本上講,我認為C信任開發人員,而C++信任編譯器,這是一個巨大的差異,單憑“兩者的原生型別相同”、“while回圈的語法相同”等簡單一致是無法掩蓋的,

 

C++開發人員將有這些問題歸咎于C,而C開發人員則認為C++過于瘋狂,我覺得站在C的角度看C++,這種說法也很正確,作為C的超集,C++確實很瘋狂,一個經驗豐富的C開發人員面對C++可能沒有熟悉的感覺,C++不是C,這就足以引發互聯網上的激烈爭論,

 

然而,雖然我不喜歡C,但也沒有權利取笑C,盡管我有一定的C++經驗,但用C撰寫過的代碼少之又少,而且肯定是很糟糕的代碼,好的編程語言包括良好的實踐、模式、慣用寫法,這些都需要多年的學習,如果你嘗試用撰寫C++的方式寫C的代碼,或者用C的方式撰寫C++的代碼,那感覺一定很糟糕,即便你懂C,也不一定會C++,反之亦然,懂C++也不一定會用C編程,

 

那么,我們是否應該停止說C/C++,為這兩個不幸的命名而感到悲哀嗎?也不至于,

 

盡管C++的設計理念與C不一樣,但是C++仍然是C的超集,也就是說,你可以在C++轉換單元中包含C的頭檔案,這樣依然可以通過編譯,而這正是造成混亂的地方,

 

C++不是C的擴展,它是由不同的委員會、不同的人獨立設計的標準,從邏輯上講,喜歡C++理念的人會參與C++社區以及C++標準化的程序,而其他人可能會嘗試參與C,無論是C的委員會還是C++委員會,他們表達意圖和方向的方式只能通過各自的最終產品:標準;而標準是眾多投票的成果,

 

然而,編譯器很難知道它正在處理的是C頭檔案還是C++頭檔案,

 

extern “C” 標記并沒有得到廣泛一致的使用,而且它只能影響修飾,而不會影響語法或語意,頭檔案僅對前處理器有影響,對于C++編譯器而言,所有內容都是C++轉換單元,因此也就是C++,然而,人們依然會在C++中包含C頭檔案,并期望它“正常作業”,而大多數時候也確實可以正常作業,

 

那么,我們不禁想問:

 

2、由不同地方的、不同的人開發的C++代碼如何保持C的兼容性?

 

恐怕很難,

 

最近,一位同事讓我想起了康威定律:

 

"設計系統的架構受制于產生這些設計的組織的溝通結構,"

 

根據這個邏輯,如果兩個委員不互相合作,則他們創造的語言也不會互通,

 

C++維護了一個與C及其標準庫的不兼容串列,然而該串列似乎并未反映出許多C11和C18中添加、但在C++中不合法的功能,更清晰的介紹請參見這個維基本科頁面(https://en.wikipedia.org/wiki/Compatibility_of_C_and_C%2B%2B),

 

然而,僅僅列出兩種語言之間的不兼容性,并不足以衡量二者的不兼容性,

 

那些存在于C++標準庫中但主要宣告來自C的函式,很難宣告成constexpr,更難宣告成noexcept,C的兼容性會導致性能成本,而C函式是優化的障礙,

 

許多C的結構在C++中都是有效的,但無法通過代碼審查(如NULL、longjmp、malloc、構造/解構式、free、C風格的型別強制轉換等),

 

在C看來,這些慣用寫法可能問題不大,但在C++中可不行,C++具有更強大的型別系統,不幸的是,C的慣用寫法在這個型別系統中鑿了一個洞,因此實作C的兼容性需要在安全性方面付出代價,

 

別誤會,C++仍然關心C的兼容性,某種程度上,然而,有趣的是C也很關心C++,某種程度上,實話實說,C對C++的關心程度可能高于C++對C的關心,看來,每個委員會還是在乎另一個委員會的作業,但我們很不情愿,

 

C++知道,許多基礎庫都是用C撰寫的,不僅包括libc,而且還有zip、png、curl、openssl(!)以及許多其他庫,無數的C++專案都在使用這些庫,C++不能破壞這些兼容性,

 

但是最近,尤其是在過去的十年中,C++的規模已遠遠超過C,C++擁有更多的用戶,并且社區更加活躍,也許這就是為什么如今C++委員會的規模是C委員會的10倍以上,

 

C++是不可忽視的力量,因此C委員會必須考慮不破壞C++兼容性,如果非要說一個標準追隨另一個標準對話,那么如今C++是領頭者,而C是追隨者,

 

現在,C++處于穩定的三年周期中,無論是風雨還是烈日,抑或是致命的新疫情,而C每十年左右才發布一次主版本,不過這也很合理,因為作為一種較低級的語言,C不需要發展得那么快,

 

C語言的環境也與C++完全不同,C多用于平臺,更多地用于編譯器,每個人(甚至他們的狗狗)都會撰寫C編譯器,因為該語言的特性集很小,所以任何人都可以撰寫C編譯器,而C++委員會真正考慮的實作只有四種,而且在每次會議上這四種實作都會出現,所以,C語言中的許多功能都是與實作有關的,或者是可選支持的,這樣各種編譯器不需要做太多努力就可以聲稱自己遵從了標準,據說這樣委員會的人會比較高興,

 

如今,C++更加側重于可移植性,而不是實作的自由,這又是一個理念的不同,

 

3、因此,你的提議破壞了C的兼容性

 

我提議的P2178的一部分理論上會影響與C的兼容性,這樣的話所有方案都不會令人滿意,

 

有人可能會說,你可以先向C委員會提議你的新特性,這意味著需要召開更多會議,C會議的嚴格出席規則可能導致你無法參加會議,這就將那些不愿意花上數千美元成為ISO會員的個人拒之門外,這是因為C委員會必須遵守ISO的規則,

 

而且,如果新的標準剛剛發布,那么可能還需要等待十年時間,你的提案才會被考慮,最重要的是,如果C委員不理解或不在乎你正在努力解決的問題,那么你的提案就石沉大海了,或者他們可能沒有精力來處理這個問題,而且,可能你也沒有精力來處理C,畢竟,你的本意是要改進C++,實際上,哪怕會議上無人反對你的提議(盡管不太可能發生),如果有人讓你先去跟C委員會的人討論,就等于給你的提議判了死刑,

 

另一種可能的情況是,C委員會接受與C++中存在的版本略有不同的版本,true只能做一個宏來實作,char16_t需要通過typedef,char32_t不一定是UTF-32,static_assert對應的是 _Static_assert,

 

這類的情況還有很多,我們應該責備C嗎?可能不應該,他們的委員會只是在盡力將C語言做好,反之亦然,在C++20中,指定的初始化器就受到了C的啟發,但采取了略微不同的規則,因為如果完全一樣的話就不符合C++的初始化規則,

 

對于這個問題,我也有責任,C有VLA,如果當時我在,我一定會反對在標準C++中采用它,因為它導致了太多安全性問題,我也會堅決反對將_Generic添加到C++中的提議,也許_Generic的目的是減少由于缺乏模板或缺乏多載而導致的問題,但是C++有這兩個功能,從我的角度來看,_Generic并不適合我想象中的C++,

 

這兩個委員會似乎對于對方語言的關心程度也不一樣,有時我們會遇到兼容性非常好的情況(std::complex),有時完全不在乎兼容性(靜態陣列引數),

 

這沒有辦法,別忘了每個委員會都是一群人,他們在不同的時間、不同的地點投票,而試圖控制結果會導致投票毫無意義,將這些人放在同一個房間也不現實,ISO可能會反對,參與者的不平衡會導致C的人處于極大的劣勢,

4、C的兼容性不重要

 

如果你是C開發人員,那么肯定會把C視為一種簡潔的編程語言,但對于我們其他人而言,C的印象完全不同,

 

C是通用的、跨語言的膠水,可以將一切緊密地結合在一起,

 

對于C++用戶而言,C就是他們的API,從這一點來看,C的價值在于其簡單性,請記住,C++關心的那一部分C是出現在介面(頭檔案)中的C,我們關心的是宣告,而不是定義,C++需要呼叫C庫中的函式(Python、Fortran、Rust、D、Java等語言也一樣,在所有情況下都可以在介面邊界使用C),

 

因此,C是一種介面定義語言,向C添加的內容越多,定義介面就越困難,這些介面隨著時間的推移保持穩定的可能性較小,

 

那么,C++中缺少<threads.h>是否重要?可能并不重要,因為這不太可能出現在公共介面中,

 

5、如今大家都在談論C

 

過去,C的兼容性是C++的一大賣點,但如今,每個人(甚至他們的金魚)都懂C,Rust可以呼叫C函式,Python、Java、一切語言都可以!甚至怪異的Javascript都可以在WebAssemby中呼叫C函式,

但是在這些語言中,介面是顯式的,該語言提供的工具可以公開特定的C宣告,當然,這比較麻煩,但這可以讓介面非常非常清晰,而且還是有界的,例如,在rust中,呼叫C函式并不會迫使Rust犧牲某些設計來容納C子集,實際上C是被包含進去的,

mod confinment {
    use std::os::raw::{c_char};
    extern "C" {
        pub fn puts(txt: *const c_char);
    }
}
pub fn main() {
    unsafe {
        confinment::puts(
            std::ffi::CString::new("Hello, world!").expect("failed!").as_ptr()
        );
    }
}

 

6、編譯器資源管理器

 

除非C的ABI發生變化,否則這段代碼可以一直正常運行,而且Rust/C的邊界非常清晰、不言自明,

 

因此,C++可能是為C兼容性付出最多的語言,

 

更糟糕的是,打開任何C的頭檔案,你很快就會發現一堆#ifdef __cplusplus,沒錯,C++的兼容性往往需要大量C開發人員的作業,兼容性一直是海市蜃樓,很多人都知道我的這條推文:

 

7、我們該何去何從?

 

我認為兩個委員會都在嘗試更多地溝通,他們計劃明年在波特蘭召開會議(盡管這個計劃可能會變),溝通是一件好事,

 

但是雞同鴨講的溝通效果會非常有限,兩種語言的設計支柱可能都不協調,我會努力建議提供一個模板,但是首先我得吐槽C語言沒有模塊、沒有命名空間,以及整個宏是什么玩意兒,

 

也許可以將C++能接受的C子集約束在C99上?也許兩種語言都需要找到一個共同的子集并獨立地發展?也許extern C需要影響決議,如果C++經歷了多個時代,那么C可能是其中之一,

 

也許我們需要接受將C作為C++的子集,但唯一的方法是將WG14融入到WG21中,

 

現狀可能不會改變,C++可能永遠也無法從自己的起源中解脫,而C可能永遠都要與那些頂著C語言之名的骯臟特性戰斗,

 

C/C++應用于Windows作業系統,驅動、補丁,影像處理、音視頻處理,工業控制軟體、嵌入式(手機、智能機)等領域,C++ 已經成為了最受開發人員歡迎的語言之一,鞏固了全球的系統和服務,

 

 

 

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