“C 不再是一种编程语言”

作为一门面向过程、抽象化的通用程序设计语言，C 常被用于系统开发、游戏引擎等场景中。不过，近日 Rust、Swift 资深专家 Aria Beingessner 发布了一篇文章《C 不再是一种编程语言》的文章，在 Hacker News 上引起了开发者激烈的讨论。

Aria 和其朋友 Phantomderp 都一致认为，C 语言的 ABI 接口非常令人失望，并试图进行修复。尽管如此，但二人对 C 语言失望的点又各自不同，那具体产生了哪些分歧？笔者将对原文进行编译，一探究竟。

原文链接：https://gankra.github.io/blah/c-isnt-a-language/

HN：https://news.ycombinator.com/item?id=30704642

整理 | 于轩

出品 | 程序人生（ID：coder _life）

在文章伊始，Aria表示其正在尝试从实质上改善使用C以外的任何语言的条件，而Phantomderp试图从本质上改善使用C本身作为编程语言的条件。

也许大家会非常好奇，以上和C语言到底有什么关系？

Aria认为，如果C真的是一种编程语言，那就和它无关。不幸的是，它并不再是一门编程语言了。这似乎与C语言由数十亿种实现方式和失败的层次结构，导致它的定义方式非常糟糕的事实有关。C已经被提升到一个具有威望和权力的角色，它的统治是绝对和永恒的，以至于它扭曲了开发者与该语言之间的对话方式。当下，C是编程的通用语言，我们都必须学C，这也导致C不再只是一种编程语言，它成了每一种通用编程语言都需要遵守的协议。

这实际有点像是关于整个“C是一个不可捉摸的实现定义混乱” 。但仅因为它让我们不得不使用这个协议，这就变成了一个更大的噩梦。

1.外部功能接口

首先我们从技术层面来聊一下。假如你已经完成了新语言Bappyscript设计，对Bappy Paws/Hooves/Fins有一流的支持。这是一种神奇的语言，将彻底改变人们的编程方式。

但现在需要让它真正做一些有用的事情。比如接受用户输入、输出，或者字面上的任何可观察之类的东西。如果你想让该语言编写的程序与主流操作系统兼容，那就需要与操作系统的界面进行交互。听说Linux上的一切都“只是一个文件”，所以一起在Linux上打开一个文件吧！

OPEN(2)
NAMEopen, openat, creat - open and possibly create a file
SYNOPSIS#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);int creat(const char *pathname, mode_t mode);int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags);int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode);/* Documented separately, in openat2(2): */int openat2(int dirfd, const char *pathname,const struct open_how *how, size_t size);Feature Test Macro Requirements for glibc (seefeature_test_macros(7)):openat():Since glibc 2.10:_POSIX_C_SOURCE >= 200809LBefore glibc 2.10:_ATFILE_SOURCE

这是Bappyscript，不是C，那Linux的Bappyscript接口在哪里？

你说Linux中没有Bappyscript接口是什么意思？好吧，当然是因为这是一种全新的语言，但你会添加一个，对吗？那这时你就会发现，你好像必须使用他们给的东西。

你将需要某种接口，让语言能够调用外部函数，就像外部函数接口FFI。然后你发现Rust也有C FFI，Swift也有，甚至Python也有。

最后你会发现，每个人都必须学会C才能与主流的操作系统进行交互，然后当需要相互对话时，大家突然都用起了C。既然如此，为什么不直接用C来进行交互呢？

现在C就变成了一种编程通用语言，不仅是一种编程语言，它还是一种协议了。

2.与C进行交互涉及哪些内容？

很明显，基本上每种语言都必须学会与C进行交互，而且这种语言绝对是非常明确的。

"Talking"C是什么意思？它意味着以C头文件的形式获得接口类型和功能的描述，并以某种方式：

匹配这些类型的布局
用链接器做一些事情，将函数的符号解析为指针
用适当的ABI来调用这些函数（比如把args放在正确的寄存器中）

那么，这里就有几个问题：

你实际上不能写一个C解析器
C实际上没有ABI，甚至没有定义的类型布局

3.实际上无法解析一个C头文件

Aria曾断言解析C基本上是不可能的，但有人说其实有很多工具可以读取C头文件，比如rust-bindgen。事实果真如此吗？其实不然。

bindgen使用libclang来解析C和C++头文件。要修改bindgen搜索libclang的方式，请参阅clang-sys文档。关于bindgen如何使用libclang的更多细节，请参阅bindgen用户指南。

任何花费大量时间试图快速解析C(++)头文件的人都会很快放弃，然后让一个C(++)编译器来做这件事。请记住，有意义地解析C头文件不仅仅是解析：你还需要解决#includes、typedefs和macros的问题！所以现在不仅要实现所有相关功能，还要实现所有平台的头文件解析逻辑，并且还需要想方设法找到DEFINED！

就拿Swift来说，它在与C进行互操作和资源方面拥有绝对优势，它是由苹果开发的一门编程语言，有效取代了Objective-C，成为在其平台上定义和使用系统API的主要语言。在这样做的过程中，它比其他任何人都更想进一步实现ABI稳定和概念设计。

它也是Aria见过的最支持FFI的语言之一。它可以本地导入（Objective-）C(++)头文件，并产生一个漂亮的本地Swift接口，其类型在边界自动 "桥接 "到它们的Swift对等项（由于类型具有相同的ABI，所以通常是透明的）。

Swift的许多开发者同时也是构建和维护Clang和LLVM的开发人员。这些人都是C及其衍生品方面的世界顶级专家。Doug Gregor就是其中之一，他曾表达了对C FFI的看法：

可以看出，即使是Swift也不想花时间解析C(++)头文件。那么，如果你绝对不想让C编译器在编译时解析和解决头文件，你该怎么做呢？

你需要手工翻译！int64_t？还是写i64. long…？什么是long？

4.C实际上没有ABI

好吧，这没有什么好惊讶的：C语言中的整数类型，为了 “可移植性”而被设计成大小不固定。我们可以认为CHAR_BIT很奇怪，但这也不能帮助我们了解long的大小和对齐方式。

有人说每个平台都有标准化的调用约定和ABI，确实有，而且它们通常定义了C中关键原语的布局(并且有些不只是用C类型来定义调用约定，参考AMD64 SysV)。

还有一个棘手的问题：架构并没有定义ABI，操作系统也没有。我们必须在一个特定的目标三元组上全力以赴，比如 “x86_64-pc-windows-gnu”（不要和 "x86_64-pc-windows-msvc "混淆）。经过测试，一共有176个三元组。


> rustc --print target-listaarch64-apple-darwin
aarch64-apple-ios
aarch64-apple-ios-macabi
aarch64-apple-ios-sim
aarch64-apple-tvos...
armv7-unknown-linux-musleabi
armv7-unknown-linux-musleabihf
armv7-unknown-linux-uclibceabihf
...
x86_64-uwp-windows-gnu
x86_64-uwp-windows-msvc
x86_64-wrs-vxworks
>_

ABI实在是太多了，因为测试中甚至没有用到所有不同的调用约定，如stdcall vs fastcall或aapcs vs aapcs-vfp。

但至少所有这些ABI和调用约定之类都可以用一种方便使用的机器可读格式获得。至少主流的C编译器在特定目标三元组的ABI上达成了一致! 当然有一些奇怪的jank C编译器，但Clang和GCC不是：


> abi-checker --tests ui128 --pairs clang_calls_gcc gcc_calls_clang...Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_0_perturbed_small        passed
Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_1_perturbed_small        passed
Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_2_perturbed_small        passed
Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_3_perturbed_small        passed
Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_0_perturbed_big          failed!
test 57 arg3 field 0 mismatch
caller: [30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F]
callee: [38, 39, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47]
Test ui128::c::clang_calls_gcc::i128_val_in_1_perturbed_big          failed!
test 58 arg3 field 0 mismatch
caller: [30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F]
callee: [38, 39, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47]...392 passed, 60 failed, 0 completely failed, 8 skipped

上面是Aria在Ubuntu 20.04 x64上运行的FFI abi-checker，她在这个相当重要的、表现良好的平台上测试了一些非常无聊的Demo。结果发现，一些整数参数在两个由Clang和GCC编译的静态库之间按值传递失败了！

Aria发现，Clang和GCC甚至不能就Linux x64上_int128的ABI达成一致。

Aria本来是为了检查rustc中的错误，没想到会在一个重要的、常用的ABI上发现两大主流C编译器的不一致。

5.试图驯服C

Aria认为，可怕的是对C头文件进行语义解析，只能由该平台的C编译器来完成。即使C编译器告诉了你类型和如何理解注释，但实际上你仍然不知道所有内容的大小/对齐/惯例。那如何与这些乱七八糟的东西进行互操作呢？Aria提供了两种选择。

第一个选择是完全放弃，将你的语言与C进行灵魂绑定，这可以是以下任何一种：

用C(++)编写编译器/运行时，这样它就可以用C了
让你的 "codegen "直接生成C(++)，这样用户无论如何都需要一个C编译器
将编译器建立在一个成熟的主要C编译器（Clang或GCC）之上

即使做到上面这些，也不会让你的编译器走多远，除非你的语言真的暴露了unsigned long long，否则你将继承C的巨大可移植性混乱。

这就让我们想到了第二个选择：撒谎、欺骗和偷窃。

如果这一切是无论如何都无法避免的灾难，你还不如开始手工翻译类型和接口定义，基本上就是我们每天在Rust中所做的事情。比如，人们使用rust-bindgen和friends自动化处理一些事，但很多时候，定义会被检查或手工调整。因为人们不想浪费时间去尝试Phantomderp的定制C构建系统可移植地工作。

在Rust中，Linux x64上的intmax_t是什么？

pub type intmax_t = i64;

在Nim中，Linux x64上的long long是什么？

clonglong {.importc: "long long", nodecl.} = int64

很多代码已经完全放弃将C保持在循环中，开始对核心类型的定义进行硬编码。毕竟，它们显然只是平台ABI的一部分！他们要改变intmax_t的大小吗？这显然是一个破坏ABI的变化！

那phantomderp正在研究的又是什么？

我们讨论过为何intmax_t不能被改变，因为如果我们从long long（64位整数）改为_int128_t（128位整数），某个地方的二进制会失控使用错误的调用约定/返回约定。但有没有一种方法，如果代码选择了它或其他东西，我们可以为较新的应用程序升级函数调用，而让旧应用程序保持不变？让我们编写一些代码，测试一下透明别名可以帮助ABI的想法。

Aria提出了她的疑问：编程语言如何处理这种变化？如何指定与哪个版本的 intmax_t交互？如果你有一些C头文件提到intmax_t，它使用的是哪个定义？

在此讨论具有不同ABI的平台的主要机制是目标三元组。你知道什么是目标三元组吗？你知道基本上涵盖了过去20年里所有主流桌面/服务器Linux发行版的 x86_64-unknown-linux-gnu包括什么吗？现在，虽然表面上可以针对这个目标进行编译，并得到一个在所有这些平台上都能“正常工作”的二进制文件，但Aria不相信有些程序会被编译成intmax_t大于int64_t。

任何试图做出这种改变的平台都会成为一个新的x86_64-unknown-linux-gnu2目标三元组吗？如果任何针对x86_64-unknown-linux-gnu编译的东西都被允许在上面运行，这难道还不够吗？

6.在不破坏ABI的情况下更改签名

"那又怎样，C永远不会再有进步吗？"不！但也是！因为他们提供了糟糕的设计。

老实说，进行ABI兼容的修改是一种艺术形式。这种艺术的一部分就是准备工作。具体来说，如果你准备好了，做出不破坏ABI的修改就会容易得多。

正如phantomderp的文章所指出的，像glibc（g是x86_64-unknown-linux-gnu中的gnu）早就明白了这一点，并使用符号版本化这样的机制来更新签名和API，同时为任何针对旧版本编译的人保留旧版本。

因此，如果你有int32_t my_rad_symbol(int32_t)，你告诉编译器将其导出为my_rad_symbol_v1，那么任何根据这个头文件进行编译的人，都会在他们的代码中写上my_rad_symbol，但针对my_rad_symbol_v1链接。

然后当你决定实际上应该使用int64_t时，你可以把int64_t my_rad_symbol(int64_t)作为my_rad_symbol_v2 ，但保留旧的定义作为 my_rad_symbol_v1。任何针对较新版本头文件进行编译的人都会高兴地使用v2符号，而针对旧版本进行编译的人则继续使用v1!

但是你仍然有一个兼容性的问题：任何用新头文件编译的人都不能与库的旧版本进行链接，库的V1版本根本没有V2符号！因此，如果你想获得热门的新功能，你就要接受与旧系统的不兼容。

不过这并不是什么大问题，它只是让平台供应商感到难过，因为没有人能够立即使用他们花了这么多时间做的东西。你不得不推出一个闪亮的新功能，然后让大家等待它变得足够普遍和成熟。但为了人们愿意依赖它并中断对旧平台的支持（或者愿意为它实施动态检查和回退）时，你必须坐等几年。

如果你真的想让人们立即升级，那就要谈论向前兼容的问题。这让旧版本的东西以某种方式与他们没有概念的新功能一起工作。

7.在不破坏ABI的情况下更改类型

那除了可以改变一个函数的签名，还可以改变类型布局吗？Aria表示，这取决于你是如何暴露类型的。

C真正奇妙的一个特点是，它可以让你区分一个已知布局的类型和一个未知布局的类型。如果你只在C头文件中前向声明一个类型，那么任何与之交互的用户代码都不被“允许”知道该类型的布局，并且必须一直在指针后面不透明地处理它。

所以你可以做一个像MyRadType* make_val()和use_val(MyRadType*)的API，然后使用同样的符号版本技巧来暴露make_val_v1和use_val_v1符号，任何时候你想改变这个布局，你就在所有与该类型交互的东西上增加版本。类似地，你在MyRadTypeV1、MyRadTypeV2和一些类型定义中保留了一些，以确保人们使用“正确”的类型。这样就可以在不同的版本之间改变类型的布局。

如果多个东西建立在你的库之上，然后开始用不透明类型相互交谈，坏事就会发生：

lib1: 制作一个API，接受MyRadType*并调用 use_val
lib2：调用 make_val并将结果传递给lib1

如果lib1和lib2针对库的不同版本进行了编译，那么make_val_v1就会被输入到use_val_v2中！你有两个选择来处理这个问题：

1.说这是被禁止的，责备那些无论如何都要这么做的人，然后伤心

2.以一种向前兼容的方式设计MyRadType，这样混合就可以了

常见的前向兼容技巧包括：

保留未使用的字段供未来版本使用
MyRadType的所有版本都有一个共同的前缀，可以让你“检查”你所使用的版本
拥有自定大小的字段，以便旧版本可以“跳过”新的部分

8.案例研究：MINIDUMP_HANDLE_DATA

微软是这种向前兼容的大师，甚至可以实现在架构之间保持布局兼容。Aria最近正在处理的一个例子是Minidumpapiset.h中的MINIDUMP_HANDLE_DATA_STREAM。

这个API描述了一个有版本的值列表。该列表以这种类型开始：


typedef struct _MINIDUMP_HANDLE_DATA_STREAM {ULONG32 SizeOfHeader;ULONG32 SizeOfDescriptor;ULONG32 NumberOfDescriptors;ULONG32 Reserved;
} MINIDUMP_HANDLE_DATA_STREAM, *PMINIDUMP_HANDLE_DATA_STREAM;

其中：

SizeOfHeader 是MINIDUMP_HANDLE_DATA_STREAM本身大小。如果他们需要在最后增加更多的字段，那也没关系，因为旧版本可以使用这个值来检测头的“版本”，也可以跳过任何他们不知道的字段。
SizeOfDescriptor是数组中每个元素的大小。这让你知道你有什么 "版本 "的元素，并跳过任何你不知道的字段。
NumberOfDescriptors 是数组长度
Reserved是一些额外的内存，无论如何他们决定保留在头文件中（Minidumpapiset.h非常谨慎，从不在任何地方进行填充，因为填充字节有未指定的值，而且它是一种序列化的二进制文件格式。我希望他们添加这个字段是为了使结构的大小是8的倍数，这样就不会有任何关于数组元素在标题之后是否需要填充的问题。这是在认真对待兼容性！)

而事实上，微软实际上有理由使用这种版本方案，并定义了两个版本的数组元素：

typedef struct _MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR {ULONG64 Handle;RVA TypeNameRva;RVA ObjectNameRva;ULONG32 Attributes;ULONG32 GrantedAccess;ULONG32 HandleCount;ULONG32 PointerCount;
} MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR, *PMINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR;
typedef struct _MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_2 {ULONG64 Handle;RVA TypeNameRva;RVA ObjectNameRva;ULONG32 Attributes;ULONG32 GrantedAccess;ULONG32 HandleCount;ULONG32 PointerCount;RVA ObjectInfoRva;ULONG32 Reserved0;
} MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_2, *PMINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_2;// The latest MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR definition.
typedef MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_2 MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_N;
typedef MINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_N *PMINIDUMP_HANDLE_DESCRIPTOR_N;

这些结构的实际细节不是很有趣，除了：

他们只是通过在末尾添加字段来改变它
有一个“最新版本”的类型定义
保留了一些也许再次Padding（填充）（RVA是一个ULONG32）

这是一个坚不可摧的向前兼容的庞然大物。它们对填充非常小心，它甚至在32位和64位之间有相同的布局 (这实际上是非常重要的，因为你希望一个架构上的minidump处理器能够处理来自每个架构的minidump）。

9.案例研究：jmp_buf

Aria对这种情况不是很熟悉，但在研究历史上的glibc中断时，她在LWN上看到了一篇很棒的文章：《glibc s390 ABI中断》，她假设它是准确的。

事实证明，glibc曾经破解过类型的ABI，至少在s390上。根据这篇文章的描述，它是混乱的。

特别是他们改变了setjmp/longjmp使用的保存状态类型的布局，即jmp_buf 。现在，他们知道这是一个破坏ABI的变化，所以他们做了负责任的符号版本化的事情。

但jmp_buf并不是一个不透明的类型，其他东西都在内联地存储这个类型的实例，比如Perl的运行时间。不用说，这个相对晦涩的类型已经渗透到许多二进制文件中去了，最终的结论是，Debian的所有东西都需要重新编译！

这篇文章甚至讨论了将libc版本升级以应对这种情况的可能性：

在像debian这样的混合ABI环境中，SO名称碰撞导致两个libc被加载并争夺相同的符号命名空间，而解析（以及因此选择ABI）则由ELF插值和范围规则决定。这真是一场噩梦。这可能是一个比告诉大家重建并继续生活更糟糕的解决方案。

10.真的能改变intmax_t吗？

在Aria看来，不完全是。就像jmp_buf一样，它不是一个不透明的类型，这意味着它被内联到大量的随机结构中，被认为具有大量其他语言和编译器的特定表示，并且可能是大量公共接口的一部分。而这些接口并不在libc、Linux，甚至不在发行版维护者的控制之下。

当然，libc可以适当地使用符号版本技巧来使其API与新的定义兼容，但改变像 intmax_t这样的基本数据类型的大小，是在一个平台的大生态系统中寻求混乱。

Aria希望被证明自己是错误的，但据她所知，做出这样的改变需要一个新的目标三元组，并且不允许任何为旧ABI构建的二进制/库在这个新三元组上运行。当然有人可以做这些工作，但Aria并不羡慕任何这样做的发行版。

即使如此，面临的还有x64的int问题：这是一个非常基本的类型，而且长期以来一直是这种大小，无数的应用程序可能对它有奇怪的无法察觉的假设。这就是为什么int在x64上是32位的，尽管它应该是64位的：int是32位的时间太长了，以至于完全无望将软件更新到新的大小，尽管它是一个全新的架构和目标三元组。

Aria再次希望自己是错的，但是人们有时犯的错误如此严重，以至于根本无法挽回。如果C语言是一种独立的编程语言？当然可以去做。但它不是，它是一个协议，还是我们必须使用的糟糕的协议。

就算C征服了世界，但也许它再也得不到好东西了。