深度解析與其他語(yǔ)言相比C語(yǔ)言是快速的語(yǔ)言的原因

初入門(mén)的我們經(jīng)常聽(tīng)見(jiàn)別人說(shuō)“真正的程序員用C語(yǔ)言編程，C是最快的語(yǔ)言因?yàn)樗亲羁拷捌涞讓拥恼Z(yǔ)言?！蹦敲春推渌Z(yǔ)言相比C語(yǔ)言到底有什么特別的呢?

C語(yǔ)言沒(méi)有什么特別，這就是它快速的秘訣。

新的語(yǔ)言支持更多的特性，比如，垃圾回收(garbage collection)，動(dòng)態(tài)類(lèi)型(dynamic typing)等等。這些新加入的特性讓出學(xué)者們更容易上手。

問(wèn)題的關(guān)鍵就在于，這些新的功能增加了處理開(kāi)銷(xiāo)(processing overhead)，也就降低了程序性能。而C語(yǔ)言中沒(méi)有這些功能，它不需要這些額外的開(kāi)銷(xiāo)，這也意味著程序員自己要分配和釋放內(nèi)存，時(shí)刻注意內(nèi)存泄露問(wèn)題，處理靜態(tài)類(lèi)型的變量。

C語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者權(quán)衡了利弊，把速度的需求放在了安全之上。C語(yǔ)言不會(huì)：

檢查數(shù)組索引是否越界

檢查未初始化的變量。

檢查內(nèi)存泄露。

檢查空的指針的解引用。

當(dāng)你在JAVA中使用數(shù)組索引時(shí)，虛擬機(jī)中有一些方法調(diào)用來(lái)檢查索引越界和其他的合理性問(wèn)題。但在C語(yǔ)言中即使是再微小的事情都有安全隱患。它不是用來(lái)編寫(xiě)大型的商業(yè)軟件的。

但這些設(shè)計(jì)上的決定并不是bugs。這些設(shè)計(jì)的初衷是為了讓編譯器和庫(kù)的編寫(xiě)者可充分利用計(jì)算機(jī)每一個(gè)bit的計(jì)算能力。

即便如此，許多語(yǔ)言和平臺(tái)，例如Java(和它的虛擬機(jī)).NET(和它的通用語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù))，隨著即時(shí)編譯(從字節(jié)碼產(chǎn)生本地機(jī)器碼)等技術(shù)的出現(xiàn)，這些年的運(yùn)行速度也有了很大的提高。

下面是C語(yǔ)言的精神和理論解釋?zhuān)?

C語(yǔ)言的不可移植。盡管C語(yǔ)言允許程序員編寫(xiě)可移植的代碼，委員會(huì)并沒(méi)有強(qiáng)迫程序員編寫(xiě)可移植的代碼，把C語(yǔ)言當(dāng)成高級(jí)匯編語(yǔ)言。能夠編寫(xiě)特定機(jī)器的語(yǔ)言是C語(yǔ)言的特征之一。

保持C語(yǔ)言的精神。委員會(huì)這么做的主要目的也是為了繼承C語(yǔ)言的傳統(tǒng)精神。這項(xiàng)精神有很多方面，但最根本的是C語(yǔ)言基本原則產(chǎn)生的社區(qū)情感，這種社區(qū)情感被使用C語(yǔ)言的人所共有。C語(yǔ)言的一些精神可以總結(jié)如下：

信任程序員。

不阻止程序員做任何必要的操作。

保持語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔和簡(jiǎn)單。

一種操作只提供一種方法。

保持速度，即使?fàn)奚梢浦残浴?

稍稍解釋一下最后一條，產(chǎn)生高效代碼的潛能是C語(yǔ)言最重要的能力。為了力求對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的操作不會(huì)出現(xiàn)代碼爆發(fā)(簡(jiǎn)單操作需要大量代碼)，許多操作定義為目標(biāo)機(jī)器的硬件如何操作而不是一般化的抽象規(guī)則。這種與機(jī)器配合的意愿例子有很多，比如在規(guī)定表達(dá)式中字符對(duì)象的寬度時(shí)，字符對(duì)象的值是轉(zhuǎn)換為有符號(hào)還是無(wú)符號(hào)類(lèi)型完全取決于哪種類(lèi)型在目標(biāo)機(jī)器中計(jì)算起來(lái)更快。

C語(yǔ)言程序快是因?yàn)樗?jiǎn)單編程語(yǔ)言其實(shí)就是程序員與機(jī)器溝通的一門(mén)“外語(yǔ)”，可以認(rèn)為編程語(yǔ)言是為程序員和機(jī)器服務(wù)的。事實(shí)上，在設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言時(shí)，常常需要在一些問(wèn)題上取舍以尋求平衡，天平的兩端則分別是程序員和機(jī)器。

人類(lèi)和計(jì)算機(jī)的思考方式是有很大差異的，因此如果某種編程語(yǔ)言偏向程序員，那么可能程序員寫(xiě)程序會(huì)很方便，但是最終得到的程序?qū)C(jī)器就不夠友好了，效率會(huì)有損失。例如 Python，JavaScript 等腳本語(yǔ)言。

相反，如果某種編程語(yǔ)言偏向機(jī)器，那么最終得到的程序效率會(huì)得到最大程度的提升，但是這樣的編程語(yǔ)言可能對(duì)于程序員就會(huì)不太友好，開(kāi)發(fā)效率會(huì)有所降低。這類(lèi)編程語(yǔ)言以C語(yǔ)言，以及匯編語(yǔ)言為代表。

開(kāi)發(fā)效率會(huì)有所降低

C語(yǔ)言誕生時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)還不是很發(fā)達(dá)，這可能是影響“天平”平衡的一個(gè)重要因素。如今，新出現(xiàn)的一些編程語(yǔ)言通常都會(huì)更加“照顧”程序員，“垃圾回收”以及“動(dòng)態(tài)類(lèi)型”等機(jī)制幾乎已經(jīng)成為標(biāo)配了。

原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谌缃窨旃?jié)奏(快到“浮躁”)的社會(huì)，開(kāi)發(fā)效率低下的編程語(yǔ)言是無(wú)法得到廣泛發(fā)展的。

正如前文所說(shuō)，當(dāng)編程語(yǔ)言的“天平”向程序員傾斜時(shí)，最終得到的程序效率自然會(huì)有所降低。因?yàn)榫幊陶Z(yǔ)言要“照顧”程序員是要付出代價(jià)的——“垃圾回收”等機(jī)制本身也會(huì)消耗相當(dāng)一部分的計(jì)算機(jī)性能。雖然今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)大大發(fā)展，但是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力始終是有限的。

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力始終是有限的

而C語(yǔ)言也沒(méi)有這些額外的機(jī)制，自然最終C語(yǔ)言程序的運(yùn)行速度也會(huì)比別的語(yǔ)言程序高。當(dāng)然，這也意味著C語(yǔ)言程序員需要自己管理分配的內(nèi)存，自己避免內(nèi)存溢出、泄漏等問(wèn)題，還要自己處理變量的類(lèi)型。

再來(lái)談?wù)凜語(yǔ)言設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)C語(yǔ)言時(shí)，更多考慮的是最終C程序的運(yùn)行效率，因此像下面這樣的幾種安全檢查，都要依賴(lài)程序員自己，C語(yǔ)言本身是不會(huì)檢查的：

數(shù)組的索引邊界未初始化的變量值內(nèi)存是否泄漏空指針的引用以數(shù)組的應(yīng)用為例，Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言會(huì)在虛擬機(jī)中進(jìn)行一些方法調(diào)用、綁定檢查以及其他的一些安全檢查。這是語(yǔ)言本身提供的服務(wù)，這些檢查隱藏在底層，對(duì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的程序員是不可見(jiàn)的。但是這樣的安全檢查無(wú)疑對(duì)程序員是友好的，因?yàn)樗黾恿藨?yīng)用的安全性。

安全檢查無(wú)疑對(duì)程序員是友好的

而在C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)中，即使是一些非?，嵥榈氖虑橐惨绦騿T自己處理。例如在執(zhí)行 memcpy() 等內(nèi)存操作時(shí)，是不會(huì)檢查要復(fù)制的內(nèi)存區(qū)域是否有重疊的。

C語(yǔ)言的這些特性在有些程序員看來(lái)是缺陷，但其他一些程序員卻認(rèn)為這是一種靈活，能夠讓程序員具有更大的權(quán)限的管理機(jī)器，以及獲得計(jì)算機(jī)的每一點(diǎn)性能。

雖然C語(yǔ)言號(hào)稱(chēng)是一種支持可移植程序開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言，它的一些語(yǔ)法也盡力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但是C語(yǔ)言并不想強(qiáng)迫程序員以可移植的方式編寫(xiě)代碼，以防止C語(yǔ)言成為“高級(jí)匯編語(yǔ)言”，畢竟編寫(xiě)特定于機(jī)器的代碼是C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)之一。

C語(yǔ)言作為一門(mén)古老的編程語(yǔ)言，其熱度卻始終沒(méi)有減少，自然的，C語(yǔ)言近些年也是得到很多發(fā)展和拓展的，從C89到C90，再到C99，C11標(biāo)準(zhǔn)。但是C語(yǔ)言始終沒(méi)有偏離它的基本精神：

相信程序員，盡量把控制權(quán)交給程序員。不阻止程序員做他想做的事，例如有時(shí)數(shù)組下標(biāo)為負(fù)也允許 arr[-1]。保持語(yǔ)言簡(jiǎn)潔。只提供一種操作方法。保持C語(yǔ)言程序的高效率，即使可能會(huì)與可移植性相悖。最后一句需要稍加解釋?zhuān)荷筛咝У某绦蚴荂語(yǔ)言的最重要的優(yōu)點(diǎn)之一。為了確?？此品浅：?jiǎn)單的操作不會(huì)導(dǎo)致崩潰，C語(yǔ)言有時(shí)寧愿在通用抽象規(guī)則上做出讓步，這也是C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中有許多“未定義”的規(guī)則。

C語(yǔ)言有時(shí)寧愿在通用抽象規(guī)則上做出讓

例如，short int，int， long int 整數(shù)類(lèi)型究竟占用多少內(nèi)存空間，C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有給出確定的定義，這就意味著這幾種整數(shù)類(lèi)型在不同的機(jī)器上占用內(nèi)存空間大小可能是不同的。再比如，雖然C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 char 類(lèi)型占用一字節(jié)內(nèi)存空間，但是卻沒(méi)有定義其符號(hào)，也就是說(shuō) char 類(lèi)型在有的機(jī)器上是有符號(hào)的，而在其他機(jī)器上可能是無(wú)符號(hào)的。

C語(yǔ)言的缺點(diǎn)正如前文討論的，C語(yǔ)言的“天平”更加偏向機(jī)器，這使得C語(yǔ)言程序員的工作量增加不少。有一些 Java 程序員甚至說(shuō)：“C語(yǔ)言程序員花費(fèi)一個(gè)月開(kāi)發(fā)的程序運(yùn)行需要 0.05 秒，而我只需要一天就能開(kāi)發(fā)出這樣的程序，它運(yùn)行只需要 0.1 秒，所以，C語(yǔ)言快嗎?”

C語(yǔ)言的缺點(diǎn)

雖然略微夸張了一些，但是的確應(yīng)該考慮這樣的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言程序本身的確會(huì)比其他編程語(yǔ)言程序快一些，但是有些項(xiàng)目的確不需要那么快，它們對(duì) deadline 的要求更加苛刻，這時(shí)可能C語(yǔ)言就不再那么合適了。

因此，C語(yǔ)言程序的效率的確高，但它是以犧牲程序員開(kāi)發(fā)效率換來(lái)的。這其實(shí)決定了它與其他編程語(yǔ)言的應(yīng)用領(lǐng)域，如果追求資源消耗以及效率的極致，那么C語(yǔ)言無(wú)疑是最佳的選擇。這個(gè)領(lǐng)域以嵌入式領(lǐng)域?yàn)榇?。如果?xiàng)目更多追求的是開(kāi)發(fā)效率，那么C語(yǔ)言顯然就不是合適的人選了。