重新認(rèn)識(shí) D 編程語(yǔ)言 —— 基礎(chǔ)篇
引言
D 語(yǔ)言是一門語(yǔ)法相當(dāng)優(yōu)雅的編譯型語(yǔ)言，自 1999 年發(fā)布至今已發(fā)展了 20 年，它既擁有 Java 那樣強(qiáng)大的表現(xiàn)力，又具有 C++ 相當(dāng)?shù)男阅?，本?lái)是一門未來(lái)相當(dāng)明朗的語(yǔ)言，但是當(dāng)年因?yàn)?2.x 版本破壞性升級(jí)導(dǎo)致社區(qū)大量核心開(kāi)發(fā)者將其放棄。
2010 年，伴隨著 Andrei Alexandrescu 新書《The D Programming Language》的出版，D 語(yǔ)言又變得活躍起來(lái)，D 語(yǔ)言 2.0 的特性變得穩(wěn)定，運(yùn)行庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的分離，解決了 D 語(yǔ)言 1.0 時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)之爭(zhēng)的問(wèn)題。
2011 年，D 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)遷移到了 Github，在有了更好的代碼管理和 bug 跟蹤方式之后，參與到 D 語(yǔ)言編譯器、運(yùn)行庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)開(kāi)發(fā)的人員也有了明顯的增加。次年，D 語(yǔ)言 1.0 版本停止更新，開(kāi)發(fā)者全力投入到 2.0 的開(kāi)發(fā)。
2014 年，D 語(yǔ)言編譯器前端代碼的許可協(xié)議變更為更加寬松的 Boost 許可。在 2017 年，編譯器所有代碼最終都使用了 Boost 許可。在解決編譯器源碼許可問(wèn)題之后，D 語(yǔ)言在開(kāi)源社區(qū)中變得更加開(kāi)放，并順利合并進(jìn)入了 GCC 9.x。
直到 2015 年，D 語(yǔ)言社區(qū)進(jìn)一步恢復(fù)活力，基于包管理的構(gòu)建方式開(kāi)始成熟，大量的開(kāi)發(fā)庫(kù)開(kāi)始涌現(xiàn)并應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。目前，已注冊(cè)項(xiàng)目庫(kù)達(dá) 1 千 6 百多個(gè)。
重新燃起希望的 D 語(yǔ)言在版本發(fā)布的規(guī)劃上非常穩(wěn)健，直至今日來(lái)說(shuō)每?jī)蓚€(gè)月都可以保證一個(gè)大版本的發(fā)布。平均每個(gè)版本的開(kāi)發(fā)者數(shù)量都有超過(guò) 50 個(gè)核心貢獻(xiàn)者，最近的 2.087.0 更是達(dá)到了 62 位核心開(kāi)發(fā)者的貢獻(xiàn)。
編程語(yǔ)言的戰(zhàn)爭(zhēng)異常慘烈，本文希望通過(guò)介紹，讓開(kāi)發(fā)者重新來(lái)了解一下 D 語(yǔ)言，認(rèn)識(shí)到 D 語(yǔ)言其實(shí)是一門能力強(qiáng)大的語(yǔ)言，并且它可以用于不同的場(chǎng)景，生態(tài)也在不斷發(fā)展完善中。
第一部分：D 語(yǔ)言主要特點(diǎn)
D 語(yǔ)言是在吸取 C++ 遇到的各種教訓(xùn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，擁有與之類似的編程風(fēng)格，許多概念與 C 或 C++ 都是相通的。不過(guò)，D 語(yǔ)言也有自己的一些特點(diǎn)，如支持閉包、匿名函數(shù)、編譯時(shí)函數(shù)執(zhí)行、支持垃圾回收等。具體來(lái)講，D 語(yǔ)言擁有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：
面向?qū)ο缶幊?/strong>
D 語(yǔ)言允許定義類和接口。像 Java 一樣，D 語(yǔ)言的繼承模型是單類繼承和多接口繼承。所有的類都有一個(gè)根類 Object。D 語(yǔ)言的類和接口都是引用類型，而結(jié)構(gòu)是值類型，且不允許繼承。
函數(shù)式編程
D 語(yǔ)言像 C++ 一樣，允許在類或結(jié)構(gòu)外單獨(dú)定義函數(shù)。它還提供了各種不可變數(shù)據(jù)類型、匿名函數(shù)和閉包、UFCS（統(tǒng)一函數(shù)調(diào)用語(yǔ)法）等特性來(lái)更好地支持函數(shù)式編程。
泛型編程
D 語(yǔ)言允許定義模型類型，也支持直接定義模板類和模板函數(shù)。模板允許嵌套定義，模板方法甚至允許遞歸調(diào)用。通過(guò)模板約束可以實(shí)現(xiàn)模板類型重載。模板參數(shù)支持不定個(gè)數(shù)類型。除此以外，模板參數(shù)類型還支持自動(dòng)推導(dǎo)。
元編程
D 語(yǔ)言里的純函數(shù)不會(huì)對(duì)全局變量產(chǎn)生任何影響，因此可以在編譯時(shí)直接調(diào)用。借助 static if、static foreach、mixin 等語(yǔ)句，可以編寫在編譯時(shí)執(zhí)行的代碼，動(dòng)態(tài)生成代碼，滿足快速定制應(yīng)用功能的需求。
安全內(nèi)存
默認(rèn)支持基于垃圾回收的內(nèi)存管理方式，從而讓編程變得更簡(jiǎn)單，內(nèi)存變得安全，程序變得更穩(wěn)定。除此之外，也可以根據(jù)需要對(duì)關(guān)鍵的內(nèi)存資源選擇手動(dòng)管理方式。借助 scope 語(yǔ)句，可以很好地控制內(nèi)存資源申請(qǐng)和釋放點(diǎn)。D 語(yǔ)言內(nèi)部有一套核心的類型定義和實(shí)現(xiàn)，它是 D 語(yǔ)言的一個(gè)子集，也被稱作 SafeD，用于保護(hù)內(nèi)存的安全。
模塊化編程
D 語(yǔ)言的每一個(gè)源文件都被定義為一個(gè)模塊(module)，源文件之間的依賴即體現(xiàn)了模塊之間的依賴。同一目錄下的多個(gè)模塊可以組成一個(gè)包(package)?；谀K的代碼讓項(xiàng)目的邏輯變得更加清晰，也為項(xiàng)目的快速構(gòu)建和編譯提供了支持。
其他語(yǔ)言交互
D語(yǔ)言的ABI與C語(yǔ)言完全兼容，因此它也具有很好的與其他語(yǔ)言交互的能力，如與 C、C++ 和 Objective-C 等語(yǔ)言進(jìn)行交互編程。D 語(yǔ)言甚至支持直接嵌入?yún)R編語(yǔ)言，部分性能關(guān)鍵的代碼可以直接使用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。D 語(yǔ)言的 BetterC 特性是 D 語(yǔ)言的一個(gè)子集，能完全去除 GC 依賴，并以更好 C 語(yǔ)言的方式來(lái)代替 C 語(yǔ)言編程，它能勝任 C 語(yǔ)言做的絕大部分工作。在 Windows 平臺(tái)下，可以使用 COM 接口實(shí)現(xiàn)與其他語(yǔ)言的交互。
基于包的應(yīng)用構(gòu)建
這個(gè)不屬于 D 語(yǔ)言本身特性，但是在 D 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)生態(tài)里，這是一種很非常重要和便捷的 D 語(yǔ)言應(yīng)用構(gòu)建方式。dub 是 D 語(yǔ)言的應(yīng)用構(gòu)建工具，它可以很好地管理應(yīng)用包之間的依賴關(guān)系，快速地構(gòu)建出 D 語(yǔ)言應(yīng)用。
除了上述特點(diǎn)，D 語(yǔ)言還提供了許多其他特性，如內(nèi)建關(guān)聯(lián)數(shù)組、單元測(cè)試、內(nèi)聯(lián)匯編、內(nèi)嵌文檔等，這些特性讓 D 語(yǔ)言成為了一門功能強(qiáng)大的語(yǔ)言。
第二部分：與其它語(yǔ)言的簡(jiǎn)要對(duì)比
D 語(yǔ)言與 Java 相比
眾所周知 Java 對(duì)工業(yè)化架構(gòu)的設(shè)計(jì)非常棒，遠(yuǎn)超越 C++、Golang 等語(yǔ)言，能與 Java 相提并論的只有 C#，在研究中我們發(fā)現(xiàn) D 同樣具備工業(yè)化的特性，而且不需要那么龐雜的虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，D 的性能比起 Java 來(lái)說(shuō)好的非常明顯，而且整合 C、C++ 庫(kù)的時(shí)候也非常方便，而 Java 想整合 C、C++ 就需要非常麻煩的 jni 對(duì)去接。畢竟 D 語(yǔ)言是名副其實(shí)的系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，D 語(yǔ)言在面向?qū)ο蠓矫娌⒉幌?Java 那樣強(qiáng)制每個(gè)文件都是對(duì)象，而更像 C++ 那樣擁有一個(gè) main() 函數(shù)作為程序入口。
示例代碼
- import std.stdio;
- void main()
- {
- writeln("Hello world!");
- }
D 語(yǔ)言與 C++ 相比
說(shuō)到性能，C++ 一直占據(jù)服務(wù)端高性能的首選，但是 D 的性能與 C++ 相比幾乎打成平手，但效率可以 3~5 倍于 C++。當(dāng)然 D 與 C 語(yǔ)言各種庫(kù)整合同樣方便，因?yàn)?D 語(yǔ)言是二進(jìn)制與 C、C++ 兼容的，語(yǔ)法更像是 C++ 的超級(jí)升級(jí)版，D 在對(duì) hashMap 操作時(shí)性能比 C++ 還要高，而且只要是掌握 C++ 的人可以沒(méi)有任何門檻地使用 D 語(yǔ)言。
示例代碼
- import std.stdio;
- void main()
- {
- foreach(i; 1..10)
- {
- writeln(i);
- }
- }
D 語(yǔ)言與 PHP 相比
PHP 是服務(wù)端腳本語(yǔ)言占有率最高的語(yǔ)言，PHP 的優(yōu)勢(shì)就是簡(jiǎn)單，無(wú)需引入什么包就可以使用語(yǔ)言本身的所有函數(shù)，但是也就是這樣 PHP 的性能一直沒(méi)有明顯改進(jìn)，雖然說(shuō) PHP 7.x 的出現(xiàn)讓 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，與編譯型語(yǔ)言相比還是相差太多。PHP 有非常明顯的短板，比如不支持多線程、長(zhǎng)連接不友好、弱類型、跨語(yǔ)言 RPC 協(xié)議支持不穩(wěn)定、部署需要 PHP 運(yùn)行環(huán)境等，而 D 語(yǔ)言具備 C++ 可實(shí)現(xiàn)的所有功能，包括內(nèi)嵌匯編，開(kāi)發(fā)效率上來(lái)講與 PHP 相比只是多了個(gè)強(qiáng)類型的概念，而 D 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)也提供 to 方法讓你非常方便地進(jìn)行各種類型的轉(zhuǎn)換。
示例代碼
- import std.stdio : writeln;
- import std.conv : to;
- void main()
- {
- int i = 10000;
- string s = "Is string ";
- s ~= i.to!string; // PHP 使用點(diǎn)連接兩個(gè)字符串，而 D 語(yǔ)言使用波浪線連接兩個(gè)字符串
- writeln(s); // 輸出結(jié)果 Is string 10000
- }
D 語(yǔ)言可替代 C 語(yǔ)言
前陣子有一篇文章比較火，有一位 i3 核心開(kāi)發(fā)者在文章中說(shuō)到，D 才是真正替代 C 的首選語(yǔ)言，他認(rèn)為 D 二進(jìn)制與 C、C++ 完全兼容所以可直接使用這兩個(gè)語(yǔ)言的二進(jìn)制庫(kù)，D 甚至可以用 dpp 項(xiàng)目直接 #include 語(yǔ)法引入 *.h 文件，作者同時(shí)也說(shuō)到為什么 C 的替代者不是 Rust 和 Golang，有興趣的同學(xué)可以自行了解原文《D as a C Replacement》。
gcc 整合 D 語(yǔ)言編譯支持
這是一個(gè)非常大的進(jìn)步，在近期發(fā)布的 gcc 9.1 大版本中整合了 DLang 全新的編譯器前端也就是 gdc，現(xiàn)在整個(gè)社區(qū)有更多開(kāi)發(fā)者對(duì) D 項(xiàng)目進(jìn)行推進(jìn)，也有更多人在使用 D 完成之前 C/C++ 的工作。
第三部分：D 語(yǔ)言主要應(yīng)用
作為一門支持 GC 的系統(tǒng)語(yǔ)言，D 語(yǔ)言已被許多公司采納和應(yīng)用，其中不乏像 Facebook、eBay 這樣的大公司。D 的應(yīng)用涉及了游戲、Web 應(yīng)用、GUI 應(yīng)用、操作系統(tǒng)、編譯器、嵌入式、科學(xué)計(jì)算與教育等多個(gè)領(lǐng)域。
游戲開(kāi)發(fā)
Remedy 公司已成功地用 D 語(yǔ)言將一款 3A 游戲 Quantum Break 移植到了 XBox One 和 Windows 10 平臺(tái)。另外，有純 D 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的 3D 游戲引擎 Dash 和 D 語(yǔ)言游戲開(kāi)發(fā)工具庫(kù) gfm。
Web 框架
編程語(yǔ)言在 Web 服務(wù)端框架非常重要，有好用的框架可以讓整個(gè)語(yǔ)言充滿活力，就像 Java 有一個(gè) Spring Framework 框架，PHP 有一個(gè) laravel 框架，Python 擁有一個(gè) Django，而 Ruby 擁有 Rails，所以既然是構(gòu)建服務(wù)端應(yīng)用 DLang 也同樣擁有一個(gè)代表性的框架 Hunt Framework。
數(shù)據(jù)庫(kù)操作
數(shù)據(jù)庫(kù)操作是大部分應(yīng)用項(xiàng)目都不可或缺的一個(gè)基本操作，操作方式主要有兩種：編寫 SQL 腳本和 ORM。
直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)的 D 語(yǔ)言開(kāi)庫(kù)有 ddbc / (http://code.dlang.org/packages/ddbc)hunt-database 等，支持的數(shù)據(jù)庫(kù)包括 MySQL、PostgreSQL 和 SQLite 等。其中，新版本的 hunt-database 的底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)已從綁定 C 語(yǔ)言的方式升級(jí)為了直接使用 D 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，減少了對(duì)第三方庫(kù)的依賴。
采用 ORM 方式的 D 語(yǔ)言開(kāi)庫(kù)有 hibernated / hunt-entity 等。其中，hunt-entity 借鑒了 Java JPA 和 spring-data-jpa 的概念，工業(yè)化程度高，操作合理并且易于維護(hù)。
微服務(wù)相關(guān)
hunt-service 是基于 gRPC 協(xié)議的分布式 RPC 服務(wù)器與客戶端庫(kù)，很容易使用，也非常方便與 hunt-framework 整合構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)。
neton 是基于 raft 算法的分布式服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊(cè)應(yīng)用服務(wù)。
GUI 應(yīng)用
其實(shí) D 語(yǔ)言的推出比較早，所以 GTK 的整合非常完整，眾所周知 gtk 官方的 vala 語(yǔ)言也大量借鑒了 D 的語(yǔ)言設(shè)計(jì)，所以 gtkd 能夠非常方便的構(gòu)建客戶端應(yīng)用，官方也有開(kāi)發(fā)者推出了新的教程站點(diǎn)非常棒：gtkDcoding | Simple examples of how to use GtkD to build GUI applications(https://gtkdcoding.com/)
此外，純 D 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的跨平臺(tái) GUI 庫(kù) dlangui 也有不俗的表現(xiàn)，有一個(gè) DLangIDE 就是基于它實(shí)現(xiàn)的。更多 GUI 庫(kù)可以參考這里。
系統(tǒng)應(yīng)用
在編譯器方面，DMD 前端已實(shí)現(xiàn)自舉。在操作系統(tǒng)方面，有 PowerNex(https://github.com/xomboverlord/xomb/tree/unborn) 與 Trinix 等系統(tǒng)嘗試。編譯器 LDC 甚至允許在更多的系統(tǒng)平臺(tái)下進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如支持基于 ARM 和 MIPS 架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)、Android 系統(tǒng)等。
科學(xué)計(jì)算
現(xiàn)在使用 D 語(yǔ)言可以方便的進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，mir 是其中的佼佼者，它對(duì)多維數(shù)組計(jì)算提供了優(yōu)秀的支持，性能超越了許多數(shù)值計(jì)算庫(kù)，達(dá)到商業(yè)水平。
結(jié)語(yǔ)
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，D 語(yǔ)言是一門在各個(gè)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的編程語(yǔ)言，同時(shí)它當(dāng)前的生態(tài)也在不斷發(fā)展，本文希望通過(guò)簡(jiǎn)單的介紹，讓開(kāi)發(fā)者重新認(rèn)識(shí) D 語(yǔ)言。如果你還不了解 D 語(yǔ)言，讀完本文，希望你對(duì)它產(chǎn)生興趣；如果你此前有聽(tīng)說(shuō)過(guò) D 語(yǔ)言，讀完本文，希望你能重新認(rèn)識(shí)它；如果你對(duì) Web 開(kāi)感興趣，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注本系列接下來(lái)的 Web 應(yīng)用篇。
