Go程序员喜欢Ziglang?

在编程语言领域，Zig相对来说是新成员。Zig由Andrew Kelly创立，于2016年正式面世，Zig社区将其定位为“用于开发健壮、优化和可复用软件的通用编程语言”。作为一名Go开发者，我对Zig及其工具链的能力尤为感兴趣。在研究Zig时，发现这两种语言（Zig和Go）在某些方面有着共同的特性。

译｜zouyee

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在编程语言领域，Zig相对来说是新成员。Zig由Andrew Kelly创立，于2016年正式面世，Zig社区将其定位为“用于开发健壮、优化和可复用软件的通用编程语言”。

在这简单的描述中，可以发现其蕴含着一些宏大的目标。例如，Zig被视为一个能够与C语言竞争的编程语言（Rust在Linux内核方向进展更快一些）。此外，Zig提供一整套编译工具链，可以替代现有C编译器（Rust可以使用cargo-zigbuild跨平台编译）。

作为一名Go开发者，我对Zig及其工具链的提议尤为感兴趣。在研究Zig时，发现这两种语言（Zig和Go）在某些方面有着共同的特性。在这篇博文中，将重点介绍作为Go程序员，对Zig感兴趣的一些特性。

Ziglang与Go

简洁性

两种语言都秉承简洁的设计哲学，以减少语言的干扰，使开发者更快上手并能够高效地完成开发任务。Zig中没有宏、预处理器或操作符重载等功能，避免了执行流程中的“魔法”。

Go通过运行时处理内存分配和释放。而Zig则坚持其“无隐藏控制流”的准则，没有自动内存管理，而是通过标准库提供内存管理API，让开发者管理内存。

强类型

作为一门系统编程语言，Zig围绕类型系统设计了许多功能，注重安全性和C ABI（应用二进制接口）兼容性。这里简要介绍一些有趣的特性：

a. 有符号/无符号整数（预设大小从8位到128位）

b. 任意大小的有符号/无符号整数（例如i7表示7位整数）

c. 浮点数（精度从16位到128位）

d. 切片和数组（例如 `[]u8{‘h’, ‘i’, ‘!’}` 或 `[4]i32{1, 2, 3, 4}`）

e. 以UTF-8编码的字符串字面量，存储为以空字符结尾的字节数组

f. 具有丰富功能的结构体类型，可与C ABI兼容

g. 具有隐式/显式序数值的枚举，并支持方法

h. 可用于存储多种类型值的联合

i. 支持使用向量并行操作

j. 传统指针及多元素指针与切片表达式

错误处理

Zig中的错误处理机制非常有特色，融合了try-catch异常语义和Go的错误值模式。

首先，所有Zig错误都是必须分配和处理的值（否则会导致编译错误）。错误声明使用`error`关键字，如下所示：

const DigitError = error{ TooLarge, };

有趣的是，Zig错误值可以与普通类型的值结合，使用`!`运算符形成一个联合类型。下面的函数可以返回错误或`u32`类型的值：

fn addSingleDigits(a: u32, b: u32) !u32 {

    if (a > 9) return error.TooLarge;

    if (b > 9) return error.TooLarge;

    return a + b;

}

此外，Zig提供了类似Java等语言的`catch`关键字，用于错误处理：

pub fn main() void {

    const result = addSingleDigits(4, 5) catch |err| {

        std.debug.print("Error: {}\n", .{err});

        return;

    };

    std.debug.print("Result: {}\n", .{result});

}

Zig还支持通过`try`关键字将错误向上级调用传播。此外，还可以通过`if-else-switch`语句更精确地筛选和处理错误。

Zig测试

在Zig中，测试是语言的关键性能力，使用`test`关键字声明：

test "test that 1 + 1 equals 2" {

    const result = 1 + 1;

    assert(result == 2);

}

使用`zig test`命令运行源代码中的测试，在标准库中，测试大多跟源代码处于同一文件。

Zig运行

类似于`go run`，Zig提供了`zig run`命令，将编译和运行源代码的步骤结合：

zig run my_program.zig

Defer

Zig与Go一样，通过`defer`概念来管理退出堆栈，当作用域块结束时执行清理操作等。

const print = @import("std").debug.print;


fn addSingleDigits(a: u32, b: u32) !u32 {

    defer print("this is deferred!");
    

    if (a > 9) return error.TooLarge;

    if (b > 9) return error.TooLarge;

    return a + b;

}

Comptime

comptime是Zig的一项有趣特性。Zig没有单独的宏系统，而是通过comptime将其代码编写的灵活性扩展到编译阶段。

comptime允许在编译时进行如下操作：

a. 在编译时解析变量和表达式

b. 根据编译时值行为的函数

c. 编译期间有选择性地执行`comptime`代码块

d. 编译时执行的元编程

泛型

在 Zig 中，comptime提供了对类型值的访问，可以像普通数据值一样存储和传递这些类型值。

这使得可以创建带有类型参数的函数，如下所示：

fn max(comptime T: type, a: T, b: T) T {

    return if (a > b) a else b;

}



test "max with different types" {

    const condition = false;

    const result = max(if (condition) f32 else u64, 1234, 5678);

    _ = result;

}

由于 comptime类型值被视为普通类型，Zig 允许使用它们来构建泛型数据结构。例如，MakeList使用 comptime 类型信息来返回一个编译时结构体：

const std = @import("std");


fn MakeList(comptime T: type, comptime size: usize) type {

    return struct {

        items: [size]T,

    };

}



pub fn main() void {

    var list = MakeList(i32, 3){

        .items = [3]i32{1, 2, 3},

    };

    std.debug.print("List {}\n", .{list});

}

在这个示例中，`MakeList` 函数使用 `comptime` 类型和大小参数，返回一个包含固定数量元素的结构体。

Zig 编译

1. Zig作为 C (交叉) 编译器

Zig 工具链包含完整的 C 编译器，因此可以使用 Zig 来替换当前的 C 编译器工具链。以下是 `hello.c` 的源代码文件：

#include <stdio.h>


int main(int argc, char **argv) {

    printf("Hello world\n");

    return 0;

}

使用以下命令，Zig 可以将该源代码编译成可执行的二进制文件：

zig build-exe hello.c --library c

2. Zig 和 C 交叉编译

Zig 让交叉编译（无论是 C 代码还是 Zig 代码亦或Rust）变得简单。无需繁琐的“自行准备交叉编译工具链”。Zig 提供所有必要的工具和库，确保您可以面向其支持的任何架构进行编译。

例如，Zig 可以将上述 C 源代码交叉编译成一个面向 Linux 的静态二进制文件（使用 `musl` 库）：

zig build-exe hello.c --library c -target x86_64-linux-musl

3. Zig 和 CGo 交叉编译

Zig 对 C 的交叉编译对在交叉编译启用了 CGo 的 Go 源代码时特别有用。例如， `add.c` 中的C 函数 `add`：

#include <stdint.h>

int32_t add(int32_t a, int32_t b) {

    return a + b;

}

我们可以在Go中 调用它：

package main
/*

#include "add.c"

*/

import "C"

import (

    "fmt"

)



func main() {

    a, b := int32(3), int32(4)

    result := C.add(a, b)

    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, result)

}

假设我们在 MacOS 上构建代码，可以使用命令 `zig cc` 来使用 Zig 的 C 编译器，将 C 代码交叉编译成目标文件并与 Go 的目标文件链接，以构建适用于 x86 架构 Linux 的静态二进制文件：

CGO_ENABLED=1 GOOS=linux CC="zig cc -target x86_64-linux-musl" go build .

要让这一步成功，您只需安装 Zig 工具链，无其他依赖项！

Zig的突出特点

Zig致力于成为一个更好的C语言替代品，其不仅适用于低级系统编程，还适用于开发通用软件系统，具有以下突出特点：

设计简单

现代化语言的设计目标是提供一套设计良好的语法，而不像汇编语言那样原子化。如果语言的抽象过于接近汇编语言，开发人员可能需要编写冗长的代码。另一方面，当语言被抽象成接近人类可读时，它可能与硬件相距甚远，可能不适合系统编程的需求。

Zig提供了轻量级的、类Rust的语法，其大多数C提供的能力都已具备，但是它不提供Rust和C++那些复杂的功能集和语法，而是提供了一个像Go那样简单性为先的开发路径。

性能和安全性

性能和安全性是选择的关键因素。语言的性能通常取决于其标准库、核心运行时功能的性能，以及编译器生成的二进制文件的质量。同时，安全设计实现边界检查、溢出处理和内存范围，并帮助开发人员减少关键安全漏洞。

Zig构建系统提供了四种构建模式，开发人员可以根据其性能和安全性要求使用。Zig还可以在编译时理解变量溢出。

此外，它可以生成带有运行时安全检查的优化二进制文件，就像Rust一样，也可以生成不带运行时安全检查的超轻量级二进制文件，就像C一样。Zig官方文档声称，由于其基于LLVM的优化和改进的未定义行为，Zig在理论上比C更快！

完整的系统编程解决方案

大多数编程语言都有一个或多个标准编译器和标准库实现。例如，您可以使用以下编译C：

- GNU C

- Apple Clang

- 带有libc、BSD-libc和Microsoft C运行时的MSVC编译器

但是这两个组件对于现代系统编程需求来说还不够。程序员通常需要建立工具、包管理器和交叉编译工具等。

因此，在C生态系统中，像CMake、Ninja、Meson这样的构建工具以及类似Conan这样的包管理器逐渐流行，而像Go和Rust这样的现代语言官方内置了包管理器、构建工具及API、交叉编译支持和测试集成等。

与Go及Rust等现代语言一样，Zig内置了包管理器、构建系统及API、支持交叉编译和测试集成，这提高了Zig成为更好的C的机会，因为它解决了C（和C++）开发人员面临的关键系统编程问题。从语言设计的角度来看，Zig提供了C开发人员期望的现代语言的所有功能，因此C程序员可以逐步将他们的系统迁移到现代Zig，而无需重新编写他们遗留的代码库。

总结

本文，为您简单介绍了 Zig 的功能。Zig融合了简洁性、强大性、安全性和对 C 的兼容性，为开发者提供了一个令人兴奋的选择。无论您是为新项目寻找语言，还是像我一样想扩展编程技能，Zig 都是一个值得探索的创新选择。

Zig仍然是一种新语言，ZSF仍在定期实现和测试更多功能。学习Zig是一个很好的决定，因为它作为一种更好的C语言，有着光明的前景。

由于笔者时间、视野、认知有限，本文难免出现错误、疏漏等问题，期待各位读者朋友、业界专家指正交流。

参考文献

1.https://ziglang.org/documentation/master/.

2.https://medium.com/@vladimirvivien/things-i-like-about-zig-as-a-go-programmer-75eb02aab00f