Mechanical March 來了！

歡迎來到我們第 2 個主題月：Mechanical March。這個月我們把焦點放在系統程式語言，也就是會編譯成機器碼的語言。

這篇一部分是文章，一部分是 Mechanical March 影片的逐字稿。 我會先快速介紹這個月的主題，接著我們一起稍微看看系統程式語言、它們在歷史中的演變、編譯成機器碼的優缺點，最後再快速瀏覽每一種精選語言。 這次同樣有 Erik 和我一起，後半段大部分時間會由他來說。不過我先從一些實用資訊開始。

首先，是這個月的精選語言：C、C++、D、Go、Nim、Rust、V 和 Zig。想拿到 Mechanical March 徽章，你需要在其中一種語言裡完成 5 個練習。我們的 Go 學習軌道有 Exercism 上數一數二的課程大綱，真的很推薦你試試看。我們 Exercism 團隊也很喜歡 Nim，它算是相對容易上手、寫起來也很輕鬆的語言，所以我也很推薦你試試。

我們還有 5 個精選練習可以試試：

• linked-list 或 simple-linked-list（依語言而定）：配置／釋放記憶體、指標
• secret-handshake：位元運算
• pangram：for迴圈、字串與字元
• sieve：陣列、for迴圈
• binary-search：陣列、迴圈

幾天前我在更新影片裡公布了一個新徽章，只要在主題語言中完成那 5 個精選練習就能得到。想拿到這個徽章，你得在今年之內用某種系統程式語言完成這些練習。

我們也正在醞釀很多有趣的內容：專訪 Go 核心團隊的幾位成員，也希望採訪到 Rust 和其他語言的開發者。這個月還會有很多直播。另外，Mechanical March 的周邊商品也快要推出了！

那我們就再深入一點，看看技術面的東西吧。

這些語言都用在什麼地方？

嗯，我們在 Exercism 各處都用得到它們。我們的 CLI 是用 Go 寫的，內部用來管理學習軌道的工具 configlet 是用 Nim 寫的，而負責計算你解答中程式碼行數的關鍵函式庫則是用 Rust 寫的。Erik，我們為什麼會為這些工具選擇這些語言？

CLI：

• 我想我們會用 Go，是因為那是 Katrina 最熟悉的語言。
• Go 很適合這類中小型的命令列工具。
• Go 的程式碼相對直截了當，讓人更容易參與貢獻
• Go 的執行檔很容易部署，因為它不需要執行環境
• Go 的交叉編譯做得很好

Nim

• Nim 有大部分和 Go 一樣的優點
• 我們沒有太多人懂 Go、能維護 CLI，所以就改用 Nim 了

你還會在哪些其他類型的場合看到這些語言？

• 任何效能很重要的地方（驅動程式、遊戲、作業系統、建置系統／編譯器）
• 任何資源有限的地方（例如嵌入式軟體）
• 任何需要高度可攜性的東西，也就是能在許多不同平台上執行

什麼是機器碼？

就像我前面說的，Mechanical March 裡的這些語言有個共同特點，就是會編譯成機器碼。可以請你稍微說明一下什麼是機器碼，以及相對的位元組碼又是什麼嗎？

• 機器碼是可以直接在機器上執行的程式碼。
• 相對地，位元組碼需要另一段程式碼來解讀，或把位元組碼編譯成機器碼。因此位元組碼在被執行之前，需要一個中介步驟。

比起位元組碼，機器碼有哪些優缺點？

優點：

• 啟動更快（不需要 JIT 編譯步驟）
• 佔用的記憶體更小（不用載入執行環境、記憶體中沒有位元組碼，對嵌入式系統特別有利）
• 目標機器不需要安裝執行環境（這對縮小 Docker 容器很重要）

缺點：

• 不可攜。位元組碼具有可攜性，但編譯出來的機器碼只適用於特定平台
• 無法進行進階的最佳化，例如設定檔導引最佳化（先讓程式跑一段時間，再決定怎麼編譯（位元組）碼最好）

注意：也可以採用混合做法，讓語言先編譯成位元組碼，再用另一套工具把位元組碼編譯成機器碼。

系統程式設計的演變

好，那我們來稍微看看這個月幾種語言的演變。首先，我們就從 C 開始，看看 C++ 是怎麼從它演變出來的。請你稍微談談這些語言。

C 是非常低階的語言。用起來的感覺就像只比機器碼高一點點。這讓它非常強大、也極容易最佳化，但同時也比較容易出現 bug（例如空指標例外和緩衝區溢位）。 記憶體管理全部得手動來，責任落在程式設計師身上，可能導致 bug 或記憶體洩漏。 C++ 就像 C，但加上了物件導向程式設計的支援。它還是相當低階，需要你自己手動管理記憶體。C 和 C++ 都允許你寫內嵌組合語言（ASM）！

那這些比較新的系統程式語言呢？它們又是怎麼演變的？

所有現代系統程式語言都支援自動記憶體管理，不論是透過參考計數、垃圾回收器，還是其他機制。

早期的系統程式語言都支援空指標（Tony Hoare 稱之為他的「十億美元失誤」）。空指標惡名昭彰，常常導致執行期錯誤和安全性漏洞。 許多現代語言乾脆捨棄 null，或者至少讓你得多費點功夫才能用到它。

另一個變化是，可變的值從預設變成例外：現在預設是不可變的值。例如 Rust 和 Vlang 的值預設都不可變，要可變得自己選擇加入。

所有較新的語言都支援與 C（或 C++）互通，因為已經有太多程式碼是用這些語言寫的。

還有一件有趣的事：有些較新的語言並不是直接編譯成機器碼，而是借助其他工具來完成。例如 Rust 和 Zig 使用 LLVM，而 Nim 則讓你選擇各式各樣的編譯器。這種做法稱為轉譯。

那巨集和超程式設計這類東西呢？

在巨集／超程式設計上，有個很有趣的分歧。C／C++ 的巨集很強大，但名聲有點微妙，大家都覺得不好駕馭。Rust、Nim 和 D 都提供強大的超程式設計能力，但方式優雅得多。反過來說，VLang 和 Zig 都明確把「沒有巨集」列為自家語言的特色，而 Go 則用 go generate 走出不同的路。

系統程式語言給人的印象是相當低階，這樣說還公平嗎？

較新的語言運作的抽象層次都比 C／C++ 更高。 例如 Rust、D 和 Nim 也允許用非常函式式的方式寫程式。 Nim 和 D 甚至還有「純」函式的概念。

本月語言簡介

接下來，我們就依序看看每一種語言。這些語言有很多相似之處：它們都是強型別、靜態型別。不過我們來看看它們有什麼不同。就從 C 開始好嗎？

C

• 由 Dennis Ritchie 開發
• 最古老、可能也是世界上使用最廣泛的語言之一
• 有大量軟體是用 C 寫的，例如 Unix 和 Linux
• 影響力極大（想想「類 C 語言」這件事就知道了）
• 手動記憶體管理
• 效能極高（貼近「硬體底層」）
• 到處都能跑
• 非常適合嵌入式系統
• 語言本身相當小

C++

• 由 Bjarne Stroustrup 開發
• C 的後繼者，但加入了物件導向（有類別的 C）
• 協助帶起物件導向程式設計的風潮
• 比 C 更多高階語言特性
• 透過樣板支援泛型程式設計
• 透過命名空間提供模組支援
• 許多遊戲（引擎）是用 C++ 寫的，Windows 也有一大部分是
• 手動記憶體管理
• 仍在持續演進，定期加入新特性（規格書很龐大）

D

• 由 Walter Bright 開發，後來 Andrei Alexandrescu 也加入
• 最初被視為重新設計過的 C++（從它的「錯誤」中學習），後來也從許多其他語言汲取靈感
• 多典範，支援指令式／物件導向／函式式程式設計
• 與 C／C++ 互通容易
• 統一函式呼叫語法
• 編譯期函式求值（例如在編譯期產生正規表達式的狀態機）
• 支援函式式程式設計與「純」函式
• 許多安全特性
• 透過 @safe 達成記憶體安全
• 契約（前置／後置條件、不變式）
• 純函式
• 重視單元測試，測試檔就放在被測原始碼旁邊（這在 Exercism 網站上還得開特例才行 :)）
• Unicode

Rust

• 由 Mozilla Research 的員工 Graydon Hoare 開發，後來由 Mozilla 正式採用，現在屬於 Rust Foundation
• 多典範，支援物件導向（但很有主見，例如沒有繼承）、指令式與函式式程式設計（Option/Result 型別、模式比對）
• 許多新工具是用 Rust 寫的（例如 SWC，還有 Gleam，以及 Linux 核心支援的第二種語言；我們的程式碼行數計算器就靠它）
• 重視可靠性與效能
• 以 LLVM 為基礎
• 連續 7 年在 StackOverflow 調查中獲選為最受喜愛的語言
• 速度快，部分原因是核心與標準函式庫都很精簡
• 安全：透過所有權與生命週期同時做到記憶體安全與執行緒安全，預設不可變
• 強大的型別系統，能在編譯期攔下許多 bug（尤其是記憶體相關的）。編譯器的錯誤訊息非常有用
• 該有的都內建：編譯器、建置工具、格式化工具、套件管理員、IDE 整合
• 文件寫得很棒（甚至有一份說明編譯器如何運作的龐大文件）
• 可攜：編譯成單一靜態執行檔，不需要安裝執行環境
• 與 C 程式碼互通容易
• 零成本抽象
• 無畏並行
• 巨集

Nim

• 由 Andreas Rumpf 開發（最初叫 Nimrod）
• 語法受 Python 啟發
• 多典範
• 在 Exercism 的 configlet 中使用
• 效能優異：零負擔的疊代器、以值為基礎的型別偏好使用堆疊配置
• 現代且富表達力的型別系統：型別推論、元組、泛型、總和型別、async/await
• 有垃圾回收，但也支援確定性的記憶體管理（多種記憶體管理選項）
• 編譯期執行程式碼
• 統一呼叫語法
• 巨集：很容易擴充語言
• 效應系統：把副作用編碼進型別系統中

Go

• 由 Google 的 Robert Griesemer、Rob Pike 和 Ken Thompson 開發
• 主要是指令式／程序式，支援類似物件導向的做法（但沒有繼承）
• 用於 Docker、Kubernetes 等大型專案。也很適合後端與 CLI（例如 esbuild）
• 目標是簡單到能裝進腦子裡（語法很少）
• 透過垃圾回收器達成記憶體安全
• 快：編譯快、測試快、執行也快。內建支援撰寫基準測試！
• 很有主見：花了很多心力去引導 Go 程式碼的風格，包括語法少、用 go fmt 格式化程式碼、提供工具檢查程式碼是否慣用、對其他語言只是警告的事情直接報錯（例如未使用的變數）、用文件列出該遵循的 Go 慣用寫法
• 輕量的型別系統讓 Go 非常有彈性（支援型別推論）
• 可攜：編譯成單一靜態執行檔，不需要安裝執行環境。交叉編譯很容易。並行則透過 goroutine（輕量）達成，並透過 channel 溝通
• 透過介面實現結構型別（類似鴨子型別，但會做靜態檢查）
• 錯誤處理：語言鼓勵你檢查並處理錯誤

VLang

• 由 Alexander Medvednikov 和 Delyan Angelov 開發
• 受 Go 啟發：
• 同樣抱持「事情只有一種做法」的策略
• 同樣抱持「語法極簡」的策略
• 協程
• 和 Go 不同的地方：
• 沒有 nil/null，而是使用 result 型別
• 預設不可變
• 總和型別（函式式）
• 字串插值
• 更小的執行環境與執行檔
• 模式比對
• 正在努力讓垃圾回收變成選用（autofree）
• 零成本的 C 互通
• 從程式碼產生文件
• 編譯器快，佔用的記憶體也少

Zig

• 由 Andrew Kelley 開發
• 語法相當少（500 行的 PEG 文法檔）
• 編譯期執行程式碼與反射
• 目標是「顯而易見」，沒有隱藏的控制流程、配置或巨集／超程式設計
• 手動記憶體配置
• 支援不同的配置器
• 標準函式庫中會配置記憶體的函式都有一個配置器參數
• 測試框架能偵測記憶體洩漏
• 安全：
• 錯誤是值，必須被處理
• 沒有 null，使用可選型別
• 測試可以和原始碼寫在同一個檔案（像 D 一樣）
• 使用 LLVM 作為後端
• 可以編譯 C／C++ 程式碼
• 與 C 互通容易
• 交叉編譯容易

結語

我們就先講到這裡，我想大家到這個階段腦袋應該都裝得很滿了。

希望這是一場實用又有趣的介紹，帶你認識這個月的精選語言。希望你探索這些語言的過程玩得開心。Erik 和我都很想知道你選了哪幾種、覺得如何，歡迎在留言區或論壇上分享！

感謝收看！