Meta 的 Folly 庫(kù)源代碼如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)內(nèi)存管理

數(shù)以百計(jì)的 C/C++ 替代品將會(huì)出現(xiàn)，但 C/C++ 將永遠(yuǎn)與我們同在！

每個(gè) CPU 都帶有一種稱為 ISA（指令集架構(gòu)）匯編的電路語(yǔ)言。ISA 程序集是一種硬件語(yǔ)言，由基本數(shù)據(jù)操作、數(shù)學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)化編程（即 jmp）的操作組成。但是，為每個(gè)計(jì)算需求編寫匯編代碼無(wú)疑是耗時(shí)的，因此過(guò)去的程序員發(fā)明了對(duì)人類友好的語(yǔ)言和編譯器。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家先驅(qū) Dennis Ritchie 為 Unix 操作系統(tǒng)的研發(fā)需求實(shí)現(xiàn)了 C 語(yǔ)言。在這段時(shí)期，整個(gè)計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域都在進(jìn)行基礎(chǔ)的最初建設(shè)，所以幾乎所有的程序員都使用 C 語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建早期的計(jì)算程序，比如編譯器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和網(wǎng)絡(luò)程序。后來(lái)，C++ 擴(kuò)展了 C 語(yǔ)言，保留了 C 語(yǔ)言的性能特點(diǎn)，一門具有更多開發(fā)人員特性的新的編程語(yǔ)言誕生了。

在 20 世紀(jì) 20 年代，程序員實(shí)現(xiàn)了 C/ C++ 的備選品，如 Go、D、Rust 和 Carbon，它們具有 C/ C++ 從未提供的各種特性。但這些語(yǔ)言仍然只是 C/ C++ 的備選品，而不是替代品，原因如下：

1 C 和 C++ 是基礎(chǔ)語(yǔ)言

如果我們追根溯源當(dāng)今活躍在我們生命中的每一款計(jì)算機(jī)程序，總會(huì)發(fā)現(xiàn)它們誕生自 C 或 C++。想想你現(xiàn)在在做什么，你可能在谷歌 Chrome 上讀到這篇文章，Chrome 開源瀏覽器 (Blink 渲染引擎、V8 和瀏覽器應(yīng)用程序) 是用 C++ 寫的。假如你在 GNU/Linux 上運(yùn)行 Chrome，Linux 內(nèi)核是用 C 寫的。MySQL，最流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是用 C/ C++ 寫的。所有流行的操作系統(tǒng)都為內(nèi)核函數(shù)提供了核心 C 或 C++ API。

即使存在穩(wěn)定的 C/ C++ 替代方案，許多程序員仍然喜歡用 C 或 C++ 進(jìn)行系統(tǒng)編程。在大多數(shù)情況下，程序員選擇 C++ 是因?yàn)樗桥c操作系統(tǒng)級(jí) API 通信的最佳語(yǔ)言。例如，谷歌用 C++ 編寫了 Flutter 引擎：

Flutter 引擎使用 C/ C++ 應(yīng)用 GTK 庫(kù)函數(shù)，

截圖由作者提供

數(shù)十年來(lái)，計(jì)算領(lǐng)域的大多數(shù)核心組件都使用 C/ C++ 作為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言，C/ C++ 語(yǔ)言也長(zhǎng)期維持著語(yǔ)言語(yǔ)法的標(biāo)準(zhǔn)。打造 C/ C++ 的替代品就像在所有的建筑工程完工之后改變房子的地基。

2 C 和 C++ 完全控制我們所寫的內(nèi)容

在編寫源代碼時(shí)，C/ C++ 可以自由地處理程序資源。例如，C/ C++ 允許你直接分配 / 釋放用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)元素的物理內(nèi)存。C/ C++ 提供了一種使用本機(jī)操作系統(tǒng)級(jí)線程的方法，而不是像 Go 那樣管理單獨(dú)的并發(fā)運(yùn)行時(shí)。

C/ C++ 沒有提供自動(dòng)內(nèi)存管理 (垃圾回收) 特性，因此程序員應(yīng)該謹(jǐn)慎有效地防止內(nèi)存泄漏。看看 Meta 的 Folly 庫(kù)源代碼是如何實(shí)現(xiàn)手動(dòng)內(nèi)存管理策略的：

Meta 的 Folly 庫(kù)使用了手動(dòng)內(nèi)存管理功能

自動(dòng)內(nèi)存管理和內(nèi)存處理的限制無(wú)疑是使語(yǔ)言變得現(xiàn)代、高效和更抽象的好方法，但是這些特性會(huì)在語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生性能開銷，并降低程序員的自由度。

C 和 C++ 不限制內(nèi)存訪問(wèn)，提供手動(dòng)的內(nèi)存管理操作，讓程序員按照自己的意愿控制程序，從而把自由給了程序員。當(dāng)你用 C/ C++ 編寫程序時(shí)，你的源代碼將有效地執(zhí)行你指示的操作，就是這樣。

3 C 和 C++ 確實(shí)又快又高效

一個(gè)特定程序的效率取決于兩個(gè)主要因素：程序員使用的算法的時(shí)間復(fù)雜度和二進(jìn)制程序的效率。毫無(wú)疑問(wèn)，我們可以控制算法的復(fù)雜性，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)更新源代碼來(lái)改變它們。另一方面，二進(jìn)制文件是編譯器生成的，因此我們無(wú)法輕易從這方面提高效率。

但是，我們可以選擇一個(gè)能夠生成快速有效的二進(jìn)制文件的編譯器。GNU 編譯器生成特定于平臺(tái)的二進(jìn)制文件，而不嵌入專用的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。C 編程執(zhí)行模型使用 crt0 匯編指令段中定義的最小啟動(dòng)代碼。看看下面的例子，Linux 上的 crt0 部分：

在 C 語(yǔ)言中 main 函數(shù)之前執(zhí)行的啟動(dòng)代碼

C++ 無(wú)疑是一門復(fù)雜的語(yǔ)言，但它不像 Python 和 Golang 那樣提供更高的抽象。此外，它還為你提供了一種使用首選標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言版本 (即 C++ 14) 進(jìn)行編譯的方法。因此，自現(xiàn)代 C++ 特性使 C++ 開發(fā)復(fù)雜化以來(lái)，你可以只使用 C++ 中最小的特性。C++ 已經(jīng)有 30 多年的歷史了，并且從早期計(jì)算時(shí)代開始就對(duì)其性能進(jìn)行了優(yōu)化。

4 C 和 C++ 是學(xué)術(shù)友好型語(yǔ)言

程序員編程通常始于職業(yè)生涯的不同階段。一些程序員在他們上學(xué)的時(shí)候就使用第一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備學(xué)習(xí)編程。然而，大多數(shù)程序員都是在大學(xué)期間提高他們的編程技能的。幸運(yùn)的是，幾乎所有的大學(xué)都是為了讓學(xué)生有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序如何與硬件組件一起工作而開始教授了 C 語(yǔ)言編程。我寫了以下文章來(lái)進(jìn)一步解釋計(jì)算機(jī)程序是如何與硬件連接的：

編寫優(yōu)化代碼前需要知道的 5 件事

https://www.infoq.cn/link?target=https%3A%2F%2Flevelup.gitconnected.com%2F5-things-to-know-before-you-write-optimized-code-3ca424110db1

這些事實(shí)有助于您以優(yōu)化的性能給硬件和程序員留下深刻印象

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后來(lái)，大多數(shù)大學(xué)教授 C++ 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基礎(chǔ)知識(shí)，而不使用 C++ 的復(fù)雜部分。大學(xué)生通常在學(xué)習(xí)了與算法相關(guān)的課程后，就會(huì)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)激烈的編程領(lǐng)域。大多數(shù)有競(jìng)爭(zhēng)力的程序員都喜歡 C++，因?yàn)樗俣瓤?，?nèi)置的最優(yōu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用性高，語(yǔ)法少。

Rust 無(wú)疑是一種很好的語(yǔ)言，具有內(nèi)存安全、高性能和內(nèi)置特性，但是 Rust 語(yǔ)法對(duì)于第一次編寫代碼的開發(fā)人員并不友好。對(duì)于工業(yè)用途來(lái)說(shuō)，如果你的團(tuán)隊(duì)希望獲得類似 C 語(yǔ)言的最小的高效代碼和類似 python 的開發(fā)環(huán)境，Go 是一種很好的語(yǔ)言。但是，對(duì)于學(xué)術(shù)用途來(lái)說(shuō)，Go 的抽象太過(guò)簡(jiǎn)單，并且不能與傳統(tǒng)的偽代碼保持一致，所以學(xué)術(shù)講師永遠(yuǎn)不會(huì)用 Go 來(lái)替代 C/ C++。

下面的文章解釋了為什么每個(gè)程序員都應(yīng)該用 C 語(yǔ)言開始編程：

為什么每個(gè)開發(fā)人員都應(yīng)該使用 C 語(yǔ)言開始編程

https://www.infoq.cn/link?target=https%3A%2F%2Fshalithasuranga.medium.com%2Fwhy-every-developer-should-start-programming-with-c-39b3a87392bf

你可以從任何一種語(yǔ)言開始編程——但是從 C 開始有更多的好處！

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5 現(xiàn)代替代方案仍然需要 C，它們專注于不同的目標(biāo)

如前所述，所有 POSIX 操作系統(tǒng)和非 POSIX 操作系統(tǒng) (即 Windows) 都提供了一個(gè) C 庫(kù)來(lái)處理內(nèi)核操作，因此從 C/ C++ 調(diào)用內(nèi)核特性很容易，因?yàn)槲覀儾恍枰帉懱囟ㄓ谡Z(yǔ)言的綁定或第三方包裝器。一些操作系統(tǒng)甚至預(yù)先包含 GNU C/ C++ 編譯器和調(diào)試器來(lái)促進(jìn) C/ C++ 的開發(fā)。如果我們使用 Rust 和 Go，需要特定于語(yǔ)言的第三方綁定來(lái)與操作系統(tǒng) API 通信?，F(xiàn)代替代語(yǔ)言仍然提供了調(diào)用 C 代碼的方法。例如，Go 提供 Cgo 特性來(lái)調(diào)用 C 代碼。

幾乎所有的 C/ C++ 替代方案都力求用與 C++ 截然不同的語(yǔ)言語(yǔ)法來(lái)提供缺少的 C++ 特性。

如果程序員在尋找 C/ C++ 的替代方案，他們通常會(huì)期望一個(gè)平穩(wěn)且耗時(shí)較少的遷移過(guò)程。

此外，他們也不期望學(xué)習(xí)一門新語(yǔ)言來(lái)為他們不喜歡的 C/ C++ 特性找到解決方案。

程序員們針對(duì)低層次編程用例設(shè)計(jì)和改進(jìn)了 C 語(yǔ)言，沒有一種現(xiàn)代語(yǔ)言是完全針對(duì) C 語(yǔ)言的目標(biāo)而創(chuàng)建的。C++ 使 C 語(yǔ)言更具有未來(lái)感，并自低級(jí)編程階段進(jìn)行了提升。Rust、Go、D 和 Carbon 都是 C/ C++ 的備選品——而不是替代品，這些備選品都有自己的未來(lái)目標(biāo)。

下面的文章解釋了為什么每個(gè)程序員在他們的職業(yè)生涯中都需要學(xué)習(xí) C++ 語(yǔ)言：

為什么每個(gè)程序員都應(yīng)該在他們的職業(yè)生涯中學(xué)習(xí) C++

https://www.infoq.cn/link?target=https%3A%2F%2Flevelup.gitconnected.com%2Fwhy-every-programmer-should-learn-c-during-their-careers-959e1bc2ea68

掌握 C++ 并不是一件容易的事，但是一旦你做到了，你將獲得無(wú)價(jià)收益

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6 結(jié)語(yǔ)

以前的程序員在 C/ C++ 進(jìn)化時(shí)期書寫了我們的計(jì)算機(jī)歷史。他們用 C 和 C++ 構(gòu)建操作系統(tǒng)內(nèi)核、編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、移動(dòng)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)軟件。多虧了 C/ C++，現(xiàn)在幾乎所有的現(xiàn)代 Web 服務(wù)都能工作。例如，最流行的 Web 服務(wù)器軟件，如 Apache HTTP 和 Nginx，就是使用 C/ C++ 作為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言。

以前的程序員幾乎用 C/ C++ 編寫了所有流行的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)軟件組件。Web 開發(fā)人員喜歡選擇 Java 和 Node.js 用于 Web 服務(wù)，但 Java 和 Node.js 都是因 C/ C++ 而來(lái)的。

一些程序員認(rèn)為像 Rust、Go、D 和 Carbon 這樣的流行語(yǔ)言可以替代 C/ C++。同時(shí)，一些程序員考慮使用這些語(yǔ)言作為 C/ C++ 的備選品，認(rèn)為它們?cè)谖磥?lái)可能取代 C/ C++。這些現(xiàn)代語(yǔ)言是為特定的目的和需求而設(shè)計(jì)的——而不是取代 C/ C++。

微軟創(chuàng)建了 TypeScript，但我們?nèi)匀皇褂?JavaScript。Jetbrains 創(chuàng)造了 Kotlin，但我們?nèi)匀皇褂?Java。數(shù)以百計(jì)的 C/ C++ 備選品出現(xiàn)了，但程序員仍將使用 C/ C++，因?yàn)橹貙懨嫦?C/ C++ 的計(jì)算機(jī)歷史是不現(xiàn)實(shí)的。

這并不意味著 C 和 C++ 是最好的語(yǔ)言——在某些方面 (例如復(fù)雜性、內(nèi)存安全性等)，備選語(yǔ)言可能比 C/ C++ 更好，但它們無(wú)法進(jìn)入 C/ C++ 的領(lǐng)域，因?yàn)橐郧暗某绦騿T用 C 和 C++ 編寫了整個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)歷史。

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