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重新认识 D 编程语言 —— 基础篇

D 语言曾经兴盛过,也随着信息技术发展而颓废过,但最终我们很高兴的看到它又带着强烈的自信开始复苏,希望通过本文让现代计算机科学工作者进一步了解这门具有独特魅力的编程语言。

作者:佚名来源:中国开源|2019-10-31 13:40

引言

D 语言是一门语法相当优雅的编译型语言,自 1999 年发布至今已发展了 20 年,它既拥有 Java 那样强大的表现力,又具有 C++ 相当的性能,本来是一门未来相当明朗的语言,但是当年因为 2.x 版本破坏性升级导致社区大量核心开发者将其放弃。

2010 年,伴随着 Andrei Alexandrescu 新书《The D Programming Language》的出版,D 语言又变得活跃起来,D 语言 2.0 的特性变得稳定,运行库与标准库的分离,解决了 D 语言 1.0 时期标准库之争的问题。

2011 ,D 语言的开发迁移到了 Github,在有了更好的代码管理和 bug 跟踪方式之后,参与到 D 语言编译器、运行库和标准库开发的人员也有了明显的增加。次年,D 语言 1.0 版本停止更新,开发者全力投入到 2.0 的开发。

2014 ,D 语言编译器前端代码的许可协议变更为更加宽松的 Boost 许可。在 2017 年,编译器所有代码最终都使用了 Boost 许可。在解决编译器源码许可问题之后,D 语言在开源社区中变得更加开放,并顺利合并进入了 GCC 9.x。

直到 2015 ,D 语言社区进一步恢复活力,基于包管理的构建方式开始成熟,大量的开发库开始涌现并应用到实际项目中。目前,已注册项目库达 1 千 6 百多个。

重新燃起希望的 D 语言在版本发布的规划上非常稳健,直至今日来说每两个月都可以保证一个大版本的发布。平均每个版本的开发者数量都有超过 50 个核心贡献者,最近的 2.087.0 更是达到了 62 位核心开发者的贡献。

编程语言的战争异常惨烈,本文希望通过介绍,让开发者重新来了解一下 D 语言,认识到 D 语言其实是一门能力强大的语言,并且它可以用于不同的场景,生态也在不断发展完善中。

第一部分:D 语言主要特点

D 语言是在吸取 C++ 遇到的各种教训基础上设计出来的,拥有与之类似的编程风格,许多概念与 C 或 C++ 都是相通的。不过,D 语言也有自己的一些特点,如支持闭包、匿名函数、编译时函数执行、支持垃圾回收等。具体来讲,D 语言拥有以下几个主要特点:

面向对象编程

D 语言允许定义类和接口。像 Java 一样,D 语言的继承模型是单类继承和多接口继承。所有的类都有一个根类 Object。D 语言的类和接口都是引用类型,而结构是值类型,且不允许继承。

函数式编程

D 语言像 C++ 一样,允许在类或结构外单独定义函数。它还提供了各种不可变数据类型、匿名函数和闭包、UFCS(统一函数调用语法)等特性来更好地支持函数式编程。

泛型编程

D 语言允许定义模型类型,也支持直接定义模板类和模板函数。模板允许嵌套定义,模板方法甚至允许递归调用。通过模板约束可以实现模板类型重载。模板参数支持不定个数类型。除此以外,模板参数类型还支持自动推导。

元编程

D 语言里的纯函数不会对全局变量产生任何影响,因此可以在编译时直接调用。借助 static if、static foreach、mixin 等语句,可以编写在编译时执行的代码,动态生成代码,满足快速定制应用功能的需求。

安全内存

默认支持基于垃圾回收的内存管理方式,从而让编程变得更简单,内存变得安全,程序变得更稳定。除此之外,也可以根据需要对关键的内存资源选择手动管理方式。借助 scope 语句,可以很好地控制内存资源申请和释放点。D 语言内部有一套核心的类型定义和实现,它是 D 语言的一个子集,也被称作 SafeD,用于保护内存的安全。

模块化编程

D 语言的每一个源文件都被定义为一个模块(module),源文件之间的依赖即体现了模块之间的依赖。同一目录下的多个模块可以组成一个包(package)。基于模块的代码让项目的逻辑变得更加清晰,也为项目的快速构建和编译提供了支持。

其他语言交互

D语言的ABI与C语言完全兼容,因此它也具有很好的与其他语言交互的能力,如与 C、C++ 和 Objective-C 等语言进行交互编程。D 语言甚至支持直接嵌入汇编语言,部分性能关键的代码可以直接使用汇编语言来实现。D 语言的 BetterC 特性是 D 语言的一个子集,能完全去除 GC 依赖,并以更好 C 语言的方式来代替 C 语言编程,它能胜任 C 语言做的绝大部分工作。在 Windows 平台下,可以使用 COM 接口实现与其他语言的交互。

基于包的应用构建

这个不属于 D 语言本身特性,但是在 D 语言的开发生态里,这是一种很非常重要和便捷的 D 语言应用构建方式。dub 是 D 语言的应用构建工具,它可以很好地管理应用包之间的依赖关系,快速地构建出 D 语言应用。

除了上述特点,D 语言还提供了许多其他特性,如内建关联数组、单元测试、内联汇编、内嵌文档等,这些特性让 D 语言成为了一门功能强大的语言。

第二部分:与其它语言的简要对比

D 语言与 Java 相比

众所周知 Java 对工业化架构的设计非常棒,远超越 C++、Golang 等语言,能与 Java 相提并论的只有 C#,在研究中我们发现 D 同样具备工业化的特性,而且不需要那么庞杂的虚拟机开发环境,D 的性能比起 Java 来说好的非常明显,而且整合 C、C++ 库的时候也非常方便,而 Java 想整合 C、C++ 就需要非常麻烦的 jni 对去接。毕竟 D 语言是名副其实的系统级开发语言,D 语言在面向对象方面并不像 Java 那样强制每个文件都是对象,而更像 C++ 那样拥有一个 main() 函数作为程序入口。

示例代码

  1. import std.stdio;  
  2. void main()  
  3.  
  4.     writeln("Hello world!");  

D 语言与 C++ 相比

说到性能,C++ 一直占据服务端高性能的首选,但是 D 的性能与 C++ 相比几乎打成平手,但效率可以 3~5 倍于 C++。当然 D 与 C 语言各种库整合同样方便,因为 D 语言是二进制与 C、C++ 兼容的,语法更像是 C++ 的超级升级版,D 在对 hashMap 操作时性能比 C++ 还要高,而且只要是掌握 C++ 的人可以没有任何门槛地使用 D 语言。

示例代码

  1. import std.stdio;  
  2. void main()  
  3.  
  4.     foreach(i; 1..10)  
  5.     {  
  6.         writeln(i);  
  7.     }  

D 语言与 PHP 相比

PHP 是服务端脚本语言占有率最高的语言,PHP 的优势就是简单,无需引入什么包就可以使用语言本身的所有函数,但是也就是这样 PHP 的性能一直没有明显改进,虽然说 PHP 7.x 的出现让 PHP 的性能提升了 2.x 倍,但是那只是和非常慢的 PHP 5.x 相比而已,与编译型语言相比还是相差太多。PHP 有非常明显的短板,比如不支持多线程、长连接不友好、弱类型、跨语言 RPC 协议支持不稳定、部署需要 PHP 运行环境等,而 D 语言具备 C++ 可实现的所有功能,包括内嵌汇编,开发效率上来讲与 PHP 相比只是多了个强类型的概念,而 D 语言标准库也提供 to 方法让你非常方便地进行各种类型的转换。

示例代码

  1. import std.stdio : writeln;  
  2. import std.conv : to;   
  3. void main()  
  4.  
  5.     int i = 10000 
  6.     string s = "Is string " 
  7.     s ~= i.to!string;    // PHP 使用点连接两个字符串,而 D 语言使用波浪线连接两个字符串  
  8.     writeln(s);    // 输出结果 Is string 10000  

D 语言可替代 C 语言

前阵子有一篇文章比较火,有一位 i3 核心开发者在文章中说到,D 才是真正替代 C 的首选语言,他认为 D 二进制与 C、C++ 完全兼容所以可直接使用这两个语言的二进制库,D 甚至可以用 dpp 项目直接 #include 语法引入 *.h 文件,作者同时也说到为什么 C 的替代者不是 Rust 和 Golang,有兴趣的同学可以自行了解原文《D as a C Replacement》。

gcc 整合 D 语言编译支持

这是一个非常大的进步,在近期发布的 gcc 9.1 大版本中整合了 DLang 全新的编译器前端也就是 gdc,现在整个社区有更多开发者对 D 项目进行推进,也有更多人在使用 D 完成之前 C/C++ 的工作。

第三部分:D 语言主要应用

作为一门支持 GC 的系统语言,D 语言已被许多公司采纳和应用,其中不乏像 Facebook、eBay 这样的大公司。D 的应用涉及了游戏、Web 应用、GUI 应用、操作系统、编译器、嵌入式、科学计算与教育等多个领域。

游戏开发

Remedy 公司已成功地用 D 语言将一款 3A 游戏 Quantum Break 移植到了 XBox One 和 Windows 10 平台。另外,有纯 D 语言实现的 3D 游戏引擎 Dash 和 D 语言游戏开发工具库 gfm。

Web 框架

编程语言在 Web 服务端框架非常重要,有好用的框架可以让整个语言充满活力,就像 Java 有一个 Spring Framework 框架,PHP 有一个 laravel 框架,Python 拥有一个 Django,而 Ruby 拥有 Rails,所以既然是构建服务端应用 DLang 也同样拥有一个代表性的框架 Hunt Framework。

数据库操作

数据库操作是大部分应用项目都不可或缺的一个基本操作,操作方式主要有两种:编写 SQL 脚本和 ORM。

直接操作数据库的 D 语言开库有 ddbc / (http://code.dlang.org/packages/ddbc)hunt-database 等,支持的数据库包括 MySQL、PostgreSQL 和 SQLite 等。其中,新版本的 hunt-database 的底层驱动库已从绑定 C 语言的方式升级为了直接使用 D 语言实现,减少了对第三方库的依赖。

采用 ORM 方式的 D 语言开库有 hibernated / hunt-entity 等。其中,hunt-entity 借鉴了 Java JPA 和 spring-data-jpa 的概念,工业化程度高,操作合理并且易于维护。

微服务相关

hunt-service 是基于 gRPC 协议的分布式 RPC 服务器与客户端库,很容易使用,也非常方便与 hunt-framework 整合构建微服务架构。

neton 是基于 raft 算法的分布式服务发现注册应用服务。

GUI 应用

其实 D 语言的推出比较早,所以 GTK 的整合非常完整,众所周知 gtk 官方的 vala 语言也大量借鉴了 D 的语言设计,所以 gtkd 能够非常方便的构建客户端应用,官方也有开发者推出了新的教程站点非常棒:gtkDcoding | Simple examples of how to use GtkD to build GUI applications(https://gtkdcoding.com/)

此外,纯 D 语言实现的跨平台 GUI 库 dlangui 也有不俗的表现,有一个 DLangIDE 就是基于它实现的。更多 GUI 库可以参考这里。

系统应用

在编译器方面,DMD 前端已实现自举。在操作系统方面,有 PowerNex(https://github.com/xomboverlord/xomb/tree/unborn) 与 Trinix 等系统尝试。编译器 LDC 甚至允许在更多的系统平台下进行应用开发,如支持基于 ARM 和 MIPS 架构的嵌入式系统、Android 系统等。

科学计算

现在使用 D 语言可以方便的进行科学计算,mir 是其中的佼佼者,它对多维数组计算提供了优秀的支持,性能超越了许多数值计算库,达到商业水平。

结语

简单来说,D 语言是一门在各个领域具有优势的编程语言,同时它当前的生态也在不断发展,本文希望通过简单的介绍,让开发者重新认识 D 语言。如果你还不了解 D 语言,读完本文,希望你对它产生兴趣;如果你此前有听说过 D 语言,读完本文,希望你能重新认识它;如果你对 Web 开感兴趣,请持续关注本系列接下来的 Web 应用篇。

【责任编辑:庞桂玉 TEL:(010)68476606】

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