C 语言的困境：为什么这些难题至今没有得到解决？

C语言与CPP编程

本文经授权转自公众号CSDN（ID：CSDNnews）
作者 | Walter Bright    翻译工具 | ChatGPT，责编 | 苏宓编程语言和编译器技术的发展，始终是推动软件工程进步的核心动力。然而，即便是广泛使用的标准 C 语言，至今仍存在一些令人困惑的问题亟待解决。在这篇文章中，我们将以编译器专家、D 编程语言的创造者和首位实现者 Walter Bright 的观点为切入点，探讨现代编译器技术如何弥补传统 C 语言的不足。
尽管标准 C 语言在不断演进（当前版本为 C23），仍有一些令人费解的缺陷尚未修复。而此前 Dlang 社区在其 D 编程语言编译器中嵌入了一个全新的 C 编译器（称为 ImportC，https://dlang.org/spec/importc.html），以支持 C 代码编译。这一全新构建的编译器利用了现代编译技术，解决了一些传统 C 的问题。
问题来了：为什么标准 C 语言没有修复这些缺陷？譬如：

常量表达式的评估（Evaluating Constant Expressions）

编译时单元测试（Compile Time Unit Tests）

前向引用声明的问题（Forward Referencing of Declarations）

导入声明问题（Importing Declarations）


1、常量表达式的评估
来看以下 C 代码示例：

int sum(int a, int b) { return a + b; }enum E { A = 3, B = 4, C = sum(5, 6) };使用 gcc 编译时会报错：

gcc -c test.ctest.c:3:20: error: enumerator value for C is not an integer constantenum E { A = 3, B, C = sum(5, 6) };^通俗来说，虽然 C 语言能通过常量折叠（Constant Folding）在编译时计算出一个简单的表达式，但它无法在编译时执行函数调用。然而，ImportC 可以做到这一点。
建议改进：
在 C 语言语法中，凡是可以使用常量表达式的地方，编译器都应该能够在编译时执行函数，只要这些函数不涉及诸如 I/O 操作、访问可变的全局变量、进行系统调用等行为。


2、编译时单元测试
一旦 C 编译器具备了编译时函数求值（CTFE）的能力，许多新功能就变得可能。
在 C 代码中，很少见到单元测试，原因很简单：单元测试需要在构建系统中单独设置目标，并以独立的可执行文件形式运行。这种额外的复杂性导致开发者往往忽略它。也许你是一位每天坚持晨跑的人，同时认真设置单元测试的场景，但大多数开发者并非如此。
例如：

int sum(int a, int b) { return a + b; }_Static_assert(sum(3, 4) == 7, "test #1");使用 gcc 编译时会报错：

gcc -c test.ctest.c:3:16: error: expression in static assertion is not constant_Static_assert(sum(3, 4) == 7, "test #1");^然而，ImportC 可以成功编译这段代码。
潜在改进：
通过允许在编译时运行函数，C 语言可以轻松实现单元测试功能。无需额外的构建步骤或独立的测试可执行文件，每次代码编译时单元测试都会自动运行。例如，在 ImportC 的测试框架中，这种编译时测试得到了广泛应用。


3、前向引用声明的问题
在 C 语言中，函数的前向引用是一种常见的限制。以下代码展示了这个问题：

int floo(int a, char *s) { return dex(s, a); }char dex(char *s, int i) { return s; }使用 gcc 编译时会报错：

gcc -c test.ctest.c:4:6: error: conflicting types for dexchar dex(char *s, int i) { return s; }^test.c:2:35: note: previous implicit declaration of dex was hereint floo(int a, char *s) { return dex(s, a); }错误的原因是：编译器在解析 floo 时对 dex 的类型做了一个隐式假设（通常假设返回值为 int），但实际定义的类型与此假设不符。如果将 floo 和 dex 的顺序颠倒，这段代码就可以正常编译。这说明 C 编译器只能识别代码中“词法顺序上位于之前的声明”，而前向引用（即在定义之前调用函数）是不被允许的。
为什么这是一个问题？
是因为为了支持前向引用，每个函数都需要一个显式的声明。例如：

char dex(char *s, int i); // 声明int floo(int a, char *s) { return dex(s, a); }char dex(char *s, int i) { return s; } // 定义这种声明和定义的分离增加了无意义的工作量。
其次，这种限制迫使开发者调整代码顺序，比如将叶子函数（底层函数）放在最前面，而全局接口函数放在最后。这种代码组织方式类似于从报纸的底部开始阅读，非常不符合直觉。
ImportC 允许在任何顺序下编译全局声明，也就是说，开发者不必担心函数定义的前后顺序问题。

4、导入声明问题
在传统 C 编程中，处理多个文件模块时，通常需要单独创建 .h 头文件以声明模块接口。以下示例展示了常见的文件结构：

// floo.c#include "dex.h"int floo(int a, char *s) { return dex(s, a); }

// dex.hchar dex(char *s, int i);

// dex.c#include "dex.h"char dex(char *s, int i) { return s; }问题点：
1.        繁琐：每个外部模块都需要一个单独的 .h 文件，这增加了开发者的负担。
2.        易错：如果 .h 文件的声明和 .c 文件的定义不完全匹配，会导致各种难以排查的错误。
在 ImportC 中，直接导入模块的源文件即可，无需额外的头文件。例如：

// floo.c__import dex;int floo(int a, char *s) { return dexx(s, a); }

// dex.cchar dexx(char *s, int i) { return s; }通过这种方式，开发者完全不需要编写 .h 文件，避免了繁琐的声明工作，同时减少了潜在的错误风险。
相关阅读：

importC 文档：https://dlang.org/spec/importc.html

D 语言文档：https://dlang.org/
本文转自公众号“CSDN”，ID：CSDNnews

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