6.1 系统语言——权力的双刃剑
居高者形逸而神劳，处下者形劳而神逸。
——《洪应明·菜根谭》
关键词：系统语言；C族语言；C语言；C++；D语言
摘 要：简谈C；C++和D
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通禅悟道者拈花不语，坐井观天者蛙鸣鼓噪。
Java程序员大多被惯坏了，环保意识要淡薄得多。
（指针）用得好可以是削铁如泥的神兵利器，用得不好则可能是自我毁灭的罪恶渊薮。
OOP又不是金子，含量越高越好。试图把一切都装进OOP的箱子里的想法无异于削足适履。
它们（系统语言）的理念是：优化机器的时间而不是人的时间，优化机器的记忆而不是人的记忆；假设编译器是愚蠢的而程序员是聪明的，因此赋予程序员更多的权利、义务与责任。
C++是匹无辔无鞍的野马，看似桀骜不驯，若能顺性而御，必能足踏飞燕，行千里而不劳。
提问
为什么C++不支持自动垃圾回收？
在C++中如何解决内存释放问题？
系统语言有哪些特点？
在不引入OOP的前提下，C语言可以借鉴C++的哪些特征？
D语言比C++有哪些改进？
在电脑性能日益提升的今天，还有必要在乎程序的性能和效率吗？
讲解
教室里，学员们正热火朝天地讨论着流行的编程语言。冒号推门而入，仿佛沸水锅里被浇了一瓢冷水，立刻平静下来。
冒号笑吟吟地看着大家：“怎么不讨论了？”
众人齐道：“该您了！”
“首先须要声明的是，本课评论编程语言，乃是应众位之邀，实非本意。”冒号变得严肃起来，“因为这种评论，不可避免地会带上个人色彩，容易产生误导。有道是，通禅悟道者拈花不语，坐井观天者蛙鸣鼓噪。”
众人迅速自动对号：“合着我们就是一群蛤蟆。”
“这样一来，我的处境就很尴尬了。”冒号自嘲着。
有人在幸灾乐祸地偷笑。
“也罢，即使作蛙鸣，至少也要先跳出井来。”冒号毅然决然地加入了蛤蟆的行列，“要谈，就旗帜鲜明地谈，该赞叹的就赞叹，该鄙视的就鄙视。说些你好我好大家好之类不痛不痒的话，倒不如不说。”
叹号一拍大腿：“好，这样才够痛快！”
问号忍不住问：“您究竟打算比较哪些主流语言呢？”
冒号回答：“就谈谈第1堂课提到的最流行的12种语言吧。按语法特征可将它们分为3类：C族静态语言有5种——C、C++、Java、C#和D；非C族静态语言有两种——VB和Delphi；动态语言有5种——Perl、PHP、Python、Ruby 和JavaScript。”
叹号表示怀疑：“这么多种语言怎么比较得过来？”
冒号解释：“我们主要比较第一类的C族语言，这些也是今后学习的重点，其他的只是泛泛而谈。”
引号猜测：“因为他们更重要？”
“可以这么说。”冒号直截了当，“毋庸讳言，在当今的主流语言中，C族语言应用范围之广、使用人数之多、影响力之巨都是其他类语言所无法比拟的。它们之间的关系从名字上就能看出：C语言的前身是B语言；其后是C++；Java曾被称为C++++--，意思是在C++上增点东西再减点东西；C#中#就是4个叠起的加号[1]；最后D语言干脆在字母上进行升级。”
句号推断：“B语言、C语言、D语言，下一个该D++、D#或E语言了。”
谁知冒号却说：“E语言已经有了，与Java的语法很像。甚至F语言也有了，但不是C族语言，而是Fortran族的。这不，微软还在.NET平台上推出了F#语言，不过这里的F指的是‘Functional’，即函数式。”
逗号向往着：“不如直接搞个终极的Z语言，成为全世界程序员的唯一指定语言，多省事！”
“这难度不亚于全人类共用一种语言。”冒号笑道，“愿望是美好的，我们还得面对现实。不扯远了，你们先谈谈一下这些C族语言各自的特点吧。”
众人心想：老冒怎么跟国足一个毛病，老喜欢回传，就是不直接射门，真是急煞人也！
问号拣了个软柿子：“C语言是C族老大，又是唯一的纯过程式语言，当然与众不同啦。”
引号一板一眼：“C++在过程式的基础上又引入对象式和泛型式，同时保持了C的高效性和底层开发能力。”
逗号接道：“Java既继承了C++的优点，又克服了C++的复杂性，虽然底层开发能力有所减弱，但具备平台无关性。”
句号不紧不慢：“C#兼具C++与Java各自的优点，但效率上不如C++，跨平台方面不如Java。”
叹号后悔嘴慢：“剩下一个最陌生的D语言，在第一堂课之前还真没听说过，怎么挤上主流语言位置的？我想……呃，它总该比C++要高级吧。”
冒号评价：“各位谈得虽然简单了些，也算八九不离十吧。下面我稍微展开些来讲。”
此时众人有一个共同的愿望，希望老冒这次能痛快地单刀赴会、直捣黄龙。
冒号似乎看出大家的心思，开始口若悬河：“关于C语言，前面多次提到。这是一把历久弥新的宝剑，一旦出鞘，依旧寒光逼人，锋利无俦。有了它，便如战将有了佩剑，平添一分独闯敌营的胆气。尽管以现代的眼光来看，它存在不少缺点，但即使抛开C语言辉煌的历史不谈，单就其以如此高龄在诸多后辈冲击之下仍屹立不倒而论，让人无法对其多加苛求。”
逗号提出异议：“但语言不是让人崇拜的，而是让人运用的。一门语言无论过去如何荣光，如果不适应现代发展趋势，还是可能被淘汰。”
“说得非常好！”冒号竟然鼓起掌来，“迄今为止，本课堂对于具体知识的讲授不算太多，但一直提倡独立思考，不要盲从权威。如果你们能做到这一点，本班的目标也就实现了一半。回头再说说C语言，它源自Unix操作系统的开发，以其良好的抽象性和可移植性取代了汇编语言作为系统开发语言。因其简洁实用、灵活高效，很快从系统领域发展到其他领域而成为通用语言。随着新兴语言的崛起及硬件性能的大幅提高，C语言的缺点也日益显著：过于宽松的类型检查、容易出错的内存管理、相对贫乏的语言特征，等等。虽然自身还在发展，它的市场份额日益减少乃是不争的事实。但在相当长的时间内，它在其所擅长的领域里仍会占举足轻重的一席之地。如果C能借鉴C++的命名空间、重载、异常处理和STL等非OOP的特征，它的生命力绝不会比任何OOP语言弱。附带说一句，C虽然没有直接支持OOP的语法，但经过适当的设计还是能实现OOP的[2]。”
引号咨询道：“关于C语言的学习，您有何建议？”
“精读K&R的《The C Programming Language》，此书不过200多页，堪称C语言的剑诀。其中的R即Dennis Ritchie，是C的创造者，同时也是Unix的缔造者之一，是真正的大师。如今的大师，同博士、教授、院士等头衔一样，严重地通货膨胀了。”冒号不无感慨。
问号尖锐地问：“C++既保持了C的底层开发能力，又引入了OOP，C的处境想必更加艰难吧？”
冒号坦承：“这是不假。C++成功的一个重要因素是对C语言的兼容，由此吸引了大批的C程序员。但这不是没有代价的，C++在兼容C的同时也保留了C的许多缺陷。Java成功的地方有很多，一个不容忽视的因素是它彻底摆脱了与C兼容的桎梏。由于C++对C的改革不彻底，又过于庞杂，并且效率上不如C，这使得C仍有其生存空间。略有讽刺意味的是，对C++批判最激烈的往往来自C的社区，比如Linux之父Linus Torvalds就曾激烈地批判过C++。”
“Linus？那可是我的偶像呢！”叹号惊讶道。
冒号劝诫：“如果你因为是他的粉丝而后悔学C++，那就是为他人的偏执买单，不管那人名气有多大。”
句号指出：“C++最为人诟病的地方有：语法过于复杂，学习曲线陡、开发效率低；支持的范式过多；OOP不彻底；反射（reflection）功能不足；支持指针操作导致安全隐患；没有自动垃圾回收，容易内存泄漏；没有线程支持；没有丰富的标准库支持图形界面、网络编程等。”
“罪状不少哇！这些说法都有一定道理，但有些也有失公允。且听我一一道来。”冒号当起了辩护律师，“C++比较复杂这点没错，Stroustrup说过一句耐人寻味的话：一种语言不够复杂是因为它还不够成熟。成人肯定比儿童复杂，因为他要承担更大的责任。大家不妨看看Java从1.0到即将问世的7.0、C#从1.0到即将问世的4.0的发展过程，是否应证了这一点？当然，C++的复杂度的确高于其他语言，但如果不执着于奇技淫巧，它绝非高不可攀。C++的开发效率相比Java与C#，差距主要在两个方面：一是标准库不够完善，二是须要手工回收垃圾。关于前者，的确是C++的一大软肋，标准库竟然连企业应用中最常用的图形界面、网络编程、数据库处理、多线程等都不能涵盖，严重障碍了生产力。其实C++也有苦衷，不像Java和C#那样有大公司的鼎力支持，只靠效率极为低下的标准委员会来维护。1998年的一个标准直到2003年还在修订，下一个标准至少要到2009年。连Stroustrup都在哭穷，声称没有足够的人力和时间来开发标准库，可为何广受赞誉的Boost库至今仍徘徊在标准门外？考虑到Boost的创办人大多出自标准委员会，其他无此背景的类库恐怕更难登C++之大堂了。相比之下D语言更惨，虽然天生丽质，苦无豪门青睐，只好一直待字闺中。”
叹号感慨：“金钱才是技术的最大推动力啊！”
“话糙理不糙。”冒号也很无奈，“再来谈谈有关自动垃圾回收的问题。在C++中，程序员也不是非得手工清理垃圾不可的。更好的办法是遵循RAII的惯用法（idiom）[3]，通过智能指针（smartpointer）来解决内存释放问题。”
逗号听不明白：“什么是RAII？”
“RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，直译为‘资源获取即初始化’。”冒号解释，“其实更准确的叫法应该是RRIF（ResourceRelease Is Finalization），即‘资源释放即终结化’[4]。其思想是：将资源的取放与某一对象的生命周期绑定，初始化对象时获取资源，终结化对象时释放资源。用户代码不再直接管理资源，只须控制相应的对象即可。这样代码得以简化，资源的有效性也得以保障，并且还是异常安全的（exception-safe）[5]。”
问号猜想：“在Java中没有这种用法，是因为它已经有了垃圾回收器吗？”
冒号摇摇头：“问题的关键不在这里。资源不只限于内存，还包括文件、线程锁、数据库连接，等等，这些都不是垃圾回收器所能解决的。看看Java的数据库应用代码吧，对于那些频繁出现的被try/catch/finally包裹的resultset.close()、statement.close()、connection.close()，你是习以为常呢，还是不胜其烦？C#的设计者显然意识到这一点，专门提供了using语句来简化释放资源（IDisposable）的代码。”
逗号眼睛一亮：“如果采用RAII的技巧，这些都可以省去了吗？”
冒号再次摇头：“可惜Java不像C++或D那样，能在栈（stack）上创建对象。栈对象有一个特点，一旦超出其作用范围，便自动释放内存。在此之前会调用析构函数（destructor），后者继而调用释放资源的代码。”
几声叹息清晰可闻。
冒号续道：“另一方面，尽管自动垃圾回收机制逐渐为大众所接受——据说C++0x也将部分地支持它——但这种机制也存在缺陷。比如，一个Java程序如果在某一时段极耗内存，由于自动垃圾回收的不定时性，不能保证及时清理内存，可能会抛出OutOfMemoryError的错误。对于内存有限的系统或实时系统来说，这绝对是一个致命的软肋。C++不支持自动垃圾回收，正是基于这些方面的考虑。Stroustrup非常顾虑自动垃圾回收带来的时间和空间上的过多开销，并且担心它会影响C++完成其所肩负的底层任务。另外，千万不要以为有了自动垃圾回收机制就一劳永逸、万事大吉了。Java程序一样会有内存泄漏，其几率甚至可能比C++的更大，因为C++程序员对此更有戒心，而Java程序员大多被惯坏了，环保意识要淡薄得多。”
问号直奔要害：“您如何看待C与C++中的指针？”
冒号欣然接招：“指针是C与C++最大的特色，其他语言要么不支持，要么支持得有限。C与C++可以说是成也指针，败也指针。用得好可以是削铁如泥的神兵利器，用得不好则可能是自我毁灭的罪恶渊薮。但由于二者定位于系统语言，而指针对于底层操作是必不可少的。同样道理，二者的数据类型的转换比其他静态类型语言更*，也是源出于此。”
句号总结：“能力越大，责任越大，风险越大。”
“正是此意！”冒号重重地敲了一下桌子，“此话既适用于编程语言，也适用于程序员。至于C++缺少对反射功能的支持，也是因为追求效率，不愿在元数据上花时间和空间。说到C++支持的范式过多，程序员过于*，代码不标准难维护，这就如同埋怨餐馆提供的菜式过多以致难以摆出一桌酒席一样可笑。最后，指责C++不是100％OOP的说法更是荒谬至极。OOP又不是金子，含量越高越好。试图把一切都装进OOP的箱子里的想法无异于削足适履。典型的如Java中的Math类，逻辑上压根儿就不存在什么Math对象，清一色的static方法和常量就是最好的讽刺。在C++中只要在math的namespace中定义一些*函数就可以了，自然而简洁。作为一个佐证，Java于J2SE5.0引进了静态导入（staticimport）机制[6]，C#也在2.0增加了静态类[7]（static class），不仅在形式上简化了代码，也在思维上容忍了非OOP的过程式。”
引号发觉：“您好像把对C++所有的责难都化解了。”
“可恨之人必有可怜之处嘛。”冒号俗语反用，“其实C++仍有不少亟待改进之处，D语言就是很好的启示。D语言的提供了可控制的垃圾回收器；支持线程同步；支持动态数组（dynamic array）；支持嵌套函数（nestedfunction）；支持契约式设计（design by contract）；废除了C与C++ 中令人头痛的头文件（headerfile）等。这些都是C++程序员梦寐以求的特征。”
逗号很奇怪：“为什么D语言名气这么小？”
句号吟道：“千里马常有，而伯乐不常有，大腕伯乐更稀有。”
众乐。
冒号拔高了调门：“既然系统语言主要为底层系统的开发服务，这就决定了它们的理念是：优化机器的时间而不是人的时间，优化机器的记忆而不是人的记忆；假设编译器是愚蠢的而程序员是聪明的，因此赋予程序员更多的权利、义务与责任。无视这种背景和理念而去与其他语言相较，完全是不着筋节，不值一哂。当然这并不排斥系统语言用于应用开发，尤其是C++和D语言。须要强调的是，常见的‘C/C++’的说法很不科学。C与C++虽有千丝万缕的联系，但一个简单，一个复杂；一个纯过程式，一个集过程式、对象式、泛型式和元编程于一体。貌合神离，不宜混为一谈。”
叹号一个问题憋了半天，不吐不快：“我有一个问题：如今电脑性能这么高，C与C++如此强调程序的性能和效率还有必要吗？”
“绝对有必要！”冒号斩钉截铁，“其一，纵向看，用户的耐心与电脑的性能成反比，早年一个386人们就满足了，如今却忍受不了586；以前16M内存就不错了，现在1G都嫌小。其二，横向比，占用资源过多、运行相对缓慢的软件竞争力也低。其三，在一些应用领域如人工智能、大型计算等方面，普通电脑的性能还远远不能满足要求，超级计算机的存在就是明证。其四，仍有些程序跑在资源有限的主机上，比如嵌入式系统。”
引号再次要求：“能推荐一些C++方面的书吗？”
冒号直言相告：“学好C一本书足矣，学好C++即使推荐十本仍有遗珠之憾。可以说C++是苦了编程者，甜了著书人。开个小书单：初级——《C++ Primer》和《Thinkingin C++》；中级——《The C++ Programming Language》和《Effective C++》系列；高级——《The C++ In-Depth》系列。这里还要特别推荐一下《The Design and Evolution of C++》，从中你可以看到 C++的设计和演变的来龙去脉，极具启发性。其他的C++精品书籍还有不少，恕不一一列举了。C++是匹无辔无鞍的野马，看似桀骜不驯，若能顺性而御，必能足踏飞燕，行千里而不劳。”
总结
? C++对C语言的兼容是其成功的一个重要因素，但同时也继承了C的一些缺陷。
? C++设计者没有直接支持自动垃圾回收，是担心它造成过大的时空开销，同时会削弱底层开发能力。
? 除了手工释放内存外，C++提倡运用RAII原则解决包括内存在内的资源管理问题。
? C与C++对指针的全面支持和宽松的类型转换限制，均出于底层系统开发的需要。
? C可以借鉴C++的 命名空间、重载、异常处理和STL等非OOP的特征。
? D语言提供了可控制的垃圾回收器，支持线程同步、动态数组、嵌套函数和契约式设计，并废除了头文件和前置声明（forward declaration）。
? 在程序性能与生产效率之间，系统语言更看重前者，它们在赋予程序员更多的权利的同时，也带给程序员更多的负担。
? 程序的性能和效率永远是重要的。一方面，用户对软件性能的期望越来越高；另一方面，有时硬件性能与软件需求并不匹配：有些应用（如人工智能、大型计算）对程序的性能和效率要求极高，有些系统（如嵌入式系统）的资源十分有限。
参考
[1] Bjarne Stroustrup．The Design and Evolution of C++．Reading, MA：Addison-Wesley，1994．219-222
[2] Bjarne Stroustrup．The C++ Programming Language，Special ed.．Reading, MA：Addison-Wesley，2000．364-387
[3] Walter Bright．D Programming Language．http://www.digitalmars.com/d/
[4] Axel Tobias Schreiner．Object-oriented Programming with ANSI-C．http://www.planetpdf.com/codecuts/pdfs/ooc.pdf
插语
[1] 更官方的说法是“#”来自音乐中的高半音符号。
[2] 比如文献[4]设计了一种用C来实现OOP的机制。
[3] RAII是由Bjarne Stro- ustrup首先提出的，参见文献[2]。
[4] 说它更准确，是因为资源获取的代码不一定须要出现在constructor中，但资源释放的代码一定出现在destructor中。
[5] 指即使发生异常（exception）也不会导致资源泄露。
[6] 比如，在静态导入Math类（import static java.lang.Math.*;）后，代码中可以直接调用sqrt、log、max等数学方法，不再需要“Math.”的前缀了。
[7] 静态类只能拥有静态成员，不能实例化，不能被继承，也不能继承除Object之外的类或接口。
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本文出自电子工业出版社博文视点（武汉）新书《冒号课堂——编程范式与OOP思想》。