机械三月到啦！

欢迎来到我们的第二个主题月：Mechanical March。这个月我们聚焦系统语言，也就是那些会编译成机器码的语言。

这篇内容一部分是博文，一部分是 Mechanical March 视频的文字记录。 我会先简单介绍一下这个月，然后我们一起看看系统语言、它们在历史上的演变、编译成机器码的优缺点，最后快速过一遍每门精选语言。 Erik 这次也和我一起出镜，后半部分主要由他来讲。不过我先带大家看一些实用的信息。

首先说说这个月的精选语言。它们是 C、C++、D、Go、Nim、Rust、V 和 Zig。想拿到 Mechanical March 徽章，你需要用其中一门语言完成五个练习。我们的 Go 学习路径拥有 Exercism 上最好的教学大纲之一，所以我强烈推荐你去试试。在 Exercism，我们也是 Nim 的忠实粉丝，因为它入门相对简单，写起来也很轻松，所以我也非常推荐你试一试。

我们还准备了五个精选练习供你尝试：

• Linked-list 或 simple-linked-list（取决于具体语言）：内存的分配和释放、指针
• secret-handshake：位运算
• pangram：for 循环、字符串和字符
• sieve：数组、for 循环
• binary-search：数组、循环

几天前我在更新视频里公布了一枚新徽章，专门颁给在主题语言中完成这五个精选练习的人。想拿到这枚徽章，你需要在今年内用某门系统语言把这五个练习全部完成。

我们还准备了很多好玩的内容正在酝酿：采访 Go 核心团队的几位成员，希望还能采访到 Rust 和其他一些语言社区的人。整个月我们还会做很多直播。另外，一批 Mechanical March 周边也即将上线！

那我们就再深入一点，聊聊技术方面的内容。

这些语言都用在什么地方？

我们自己在 Exercism 各处都在用它们。我们的 CLI 是用 Go 写的，内部那个叫 configlet 的学习路径管理工具是用 Nim 写的，而统计你提交的解答中有多少行代码的核心库是用 Rust 写的。Erik，我们为什么为这些工具选择了这些语言？

CLI：

• 我想我们用 Go 是因为 Katrina 最熟悉它。
• Go 非常适合这类规模不大的命令行工具。
• Go 代码相对直白，别人更容易参与贡献。
• Go 编译出的二进制文件很容易部署，因为它不需要运行时。
• Go 的交叉编译做得很好。

Nim

• Nim 拥有和 Go 大体相同的优点
• 我们没有多少既懂 Go 又能维护 CLI 的人，于是换成了 Nim

你觉得这些语言还会用在哪些地方？

• 任何性能至关重要的地方（驱动程序、游戏、操作系统、构建系统/编译器）
• 任何资源受限的地方（比如嵌入式软件）
• 任何需要高度可移植的地方，也就是说能在许多不同平台上运行

什么是机器码？

就像我之前说的，Mechanical March 里的这些语言有个共同特征：它们都会编译成机器码。你能稍微解释一下什么是机器码，以及与之相对的字节码又是什么吗？

• 机器码是能直接在机器上运行的代码。
• 相比之下，字节码需要由其他代码来解释，或者编译成机器码。所以字节码在执行之前需要一个中间步骤。

相比字节码，机器码有哪些优缺点？

优点：

• 启动更快（没有 JIT 编译这一步）
• 占用内存更少（不用加载运行时，内存里也没有字节码，非常适合嵌入式系统）
• 目标机器不需要安装运行时（这对保持 Docker 容器体积小巧很重要）

缺点：

• 不可移植。字节码是可移植的，但编译后的机器码只针对特定平台
• 无法进行基于性能分析的优化这类高级优化（即在代码运行一段时间后，确定编译这段（字节）代码的最佳方式）

注意：也可以采用混合方式，即语言先编译成字节码，再用另一个工具把字节码编译成机器码。

系统编程的演变

好，那我们就来看看这个月几门语言的一些演变。先从最早的 C 说起，再看看 C++ 是如何从 C 发展而来的。给我们讲讲这两门语言吧。

C 是一门非常底层的语言。用起来感觉只比机器码高一点点。这使它非常强大、高度可优化，但也比较容易出 bug（比如空指针异常和缓冲区溢出）。 内存管理完全靠手动，因此是程序员的责任，这也可能导致 bug 或者内存泄漏。 C++ 就像 C，但增加了对面向对象编程的支持。它仍然相当底层，需要你手动管理内存。C 和 C++ 都允许你写内联汇编（ASM）！

那较新的系统语言呢？它们是如何演变的？

所有现代系统编程语言都支持自动内存管理，方式可以是引用计数、垃圾回收器，或者别的机制。

早期的系统编程语言都支持空指针，Tony Hoare 称其为自己的“十亿美元错误”。空指针因为会导致运行时错误和安全漏洞而臭名昭著。 许多现代语言干脆取消了 null，或者至少要求你付出额外的努力才能用它。

另一个变化是，从默认可变的值转向默认不可变的值。比如 Rust 和 VLang 都默认让值不可变，想改成可变需要显式选择。

所有较新的语言都支持与 C（或 C++）互操作，因为已经有太多代码是用这些语言写的。

另一个有意思的地方是，有些较新的语言并不直接编译成机器码，而是借助其他工具来完成。比如 Rust 和 Zig 使用 LLVM，而 Nim 允许你使用各种不同的编译器。这就是所谓的转译。

那宏和元编程之类的东西呢？

在宏和元编程方面，存在一个很有意思的分歧。C/C++ 的宏很强大，但名声不算太好，因为用起来很难。Rust、Nim 和 D 都提供了强大的元编程能力，但方式要友好得多。反过来，VLang 和 Zig 都明确把“没有宏”当作语言的一个特性，而 Go 则用 go generate 走出了另一条路。

系统语言素来以相当底层著称。这种说法现在还成立吗？

较新的语言都在比 C/C++ 更高的抽象层次上工作。 比如 Rust、D 和 Nim 也支持非常函数式的代码写法。 Nim 和 D 甚至还有“纯函数”这个概念。

本月语言简介

那我们最好逐一看看这些语言。它们都有相似之处：全都是强类型、静态类型。不过我们来看看它们有什么不同。先从 C 开始吧？

C

• 由 Dennis Ritchie 开发
• 世界上最古老、大概也是使用最广泛的语言之一
• 大量软件都是用 C 写的，比如 Unix 和 Linux
• 影响深远（想想看，如今“类 C 语言”已经是一大类别）
• 手动内存管理
• 性能极高（贴近底层）
• 到处都能运行
• 非常适合嵌入式系统
• 语言规模相当小

C++

• 由 Bjarne Stroustrup 开发
• C 的继任者，但加入了面向对象的特性（带类的 C）
• 推动了面向对象编程的普及
• 比 C 有更多高层语言特性
• 通过模板支持泛型编程
• 通过命名空间支持模块化
• 许多游戏（引擎）是用 C++ 写的，Windows 的很大一部分也是
• 手动内存管理
• 仍在不断演进，新特性定期加入（规范非常庞大）

D

• 由 Walter Bright 开发，后来 Andrei Alexandrescu 也加入其中
• 最初被视为重新设计的 C++（从它的“错误”中吸取教训），同时也从许多其他语言中汲取灵感
• 多范式，支持命令式、面向对象和函数式编程
• 与 C/C++ 互操作很容易
• 统一函数调用语法
• 编译期函数求值（比如在编译期生成正则状态机）
• 支持函数式编程和“纯函数”
• 大量安全特性
• 通过 @safe 实现内存安全
• 契约（前置/后置条件、不变式）
• 纯函数
• 重视单元测试，测试就放在被测源码旁边（这一点让 Exercism 网站不得不开了一个例外 :)）
• Unicode

Rust

• 由 Mozilla Research 的员工 Graydon Hoare 开发，之后被 Mozilla 正式采纳，现在属于 Rust Foundation
• 多范式，支持面向对象（但有自己的主张，比如没有继承）、命令式和函数式编程（Option/Result 类型、模式匹配）
• 许多新工具是用 Rust 写的（比如 SWC，还有 Gleam，以及作为 Linux 内核支持的第二种语言；我们的代码行数统计工具就依赖它）
• 注重可靠性和性能
• 构建在 LLVM 之上
• 连续 7 年在 StackOverflow 调查中被评为最受喜爱的语言
• 速度快，部分原因是核心和标准库都很精简
• 安全，通过所有权和生命周期同时保证内存安全和线程安全，默认不可变
• 强大的类型系统，能在编译期捕获许多 bug（尤其是与内存相关的）。编译器给出的错误信息非常有用
• 该有的都有：编译器、构建工具、格式化工具、包管理器、IDE 集成
• 出色的文档（甚至有一份讲编译器如何工作的鸿篇巨制）
• 可移植：编译成单个静态二进制文件，不需要安装运行时
• 与 C 代码互操作很容易
• 零成本抽象
• 无畏并发
• 宏

Nim

• 由 Andreas Rumpf 开发（最初叫 Nimrod）
• 语法受 Python 启发
• 多范式
• 在 Exercism 的 configlet 中使用
• 性能出色：零开销迭代器，倾向于对基于值的类型使用栈分配
• 现代且富有表现力的类型系统：类型推断、元组、泛型、和类型、async/await
• 有垃圾回收，但也支持确定性的内存管理（多种内存管理选项）
• 编译期执行代码
• 统一调用语法
• 宏：轻松扩展语言
• 效果系统：把副作用编码进类型系统

Go

• 由 Google 的 Robert Griesemer、Rob Pike 和 Ken Thompson 开发
• 主要是命令式和过程式，支持类似面向对象的做法（但没有继承）
• 用于 Docker、Kubernetes 这样的大型项目。也非常适合后端和 CLI（比如 esbuild）
• 目标是简单到能整个装进脑子里（语法很少）
• 通过垃圾回收器保证内存安全
• 快：编译快、测试快、运行也快。内置对编写基准测试的支持！
• 有明确主张：花了很多心思来引导 Go 代码的风格：语法很少、用 go fmt 格式化代码、有工具检查代码是否符合惯用写法、在其他语言里只是警告的问题在 Go 里会直接报错（比如未使用的变量）、文档中列出了应当遵循的 Go 惯用法
• 轻量的类型系统让 Go 非常灵活（支持类型推断）
• 可移植：编译成单个静态二进制文件，不需要安装运行时。交叉编译也很容易。并发通过 goroutine（轻量级）实现，goroutine 之间通过 channel 通信
• 通过接口实现结构化类型（类似鸭子类型，但在静态检查下完成）
• 错误处理：这门语言鼓励你检查并处理错误

VLang

• 由 Alexander Medvednikov 和 Delyan Angelov 开发
• 灵感来自 Go：
• 同样奉行“一件事只有一种做法”的策略
• 同样奉行“语法极简”的策略
• 协程
• 与 Go 不同之处：
• 没有 nil/null，而是使用结果类型
• 默认不可变
• 和类型（函数式）
• 字符串插值
• 更小的运行时/二进制文件
• 模式匹配
• 正在努力让 GC 变成可选项（autofree）
• 零成本 C 互操作
• 从代码生成文档
• 编译器速度快，占用内存少

Zig

• 由 Andrew Kelley 开发
• 语法相当少（PEG 语法文件只有 500 行）
• 编译期执行代码和反射
• 目标是“显而易见”，没有隐藏的控制流，没有隐藏的分配，也没有宏/元编程
• 手动内存分配
• 支持不同的分配器
• 需要分配内存的标准库函数都带有一个分配器形参
• 测试框架能检测内存泄漏
• 安全方面：
• 错误就是值，必须处理
• 没有 null，使用可选类型
• 测试可以和源码写在同一个文件里（和 D 一样）
• 使用 LLVM 作为后端
• 能编译 C/C++ 代码
• 与 C 互操作很容易
• 交叉编译很容易

结语

我们就讲到这里吧，我想大家这会儿脑子里已经装得满满的了。

希望这是对本月精选语言一次有用又有趣的介绍。祝你在探索这些语言时玩得开心。Erik 和我都很想听听你选了哪门语言、用下来感觉如何，所以请一定在评论区或论坛里发帖告诉我们！

感谢观看！