D語言

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D語言
编程范型多范型：函数式、指令式、面向对象
設計者Walter Bright，Andrei Alexandrescu
发行时间2001年12月8日，​22年前​（2001-12-08）[1]
当前版本
  • 2.108.0 (2024年4月1日；穩定版本)[2]
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型態系統静态强类型
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主要實作產品
DMD、GDC、LDC
啟發語言
C、C++、C#、Java、Eiffel

D語言是一种程式語言，具备多範型，例如物件導向、指令式。由沃尔特·布莱特和安德烈·亞歷山德雷斯庫所開發，起源自C++，深受C++的影響，然而其不是C++的变种，而是重新设计来自C++的部分特性，并受到其它程式語言觀念的影響，如Java、C#以及Eiffel。2007年1月2日釋出1.0穩定版本。2007年1月17日釋出2.0版本。

Walter Bright本身是Symantec C++編譯器的作者，另一名作者Andrei Alexandrescu是Facebook的研究科学家，他与一个团队用D语言重写一些Facebook的重要操作。[3]

特性

D的設計來自實際的C++用法的經驗教訓，而不是從理論的角度。D沿用了很多C/C++觀念，同時摒弃了一些概念，因此D並不完全相容C/C++代码。D实现了C++的功能，实现了契約式設計（design by contract）、單元測試、真正的模組性、自動化記憶體管理（垃圾回收）、頭等数组（first class array）、关联数组、动态数组、数组切片、嵌套函数（巢狀函式）、內部類別、閉包的限制形式、匿名函式、編譯時期函式執行、惰性計算以及革新的模板語法。D保有C++的性能以進行低階程式設計，並加入完整的內聯組譯器支援。C++的多重繼承改以Java 單繼承與介面混合的風格取代。D的声明、語句和表達式語法（英语：Syntax (programming languages)）幾乎和C++一樣。

內聯組譯器（inline assembler）象徵了D和Java、C#等應用程式語言的不同。內聯組譯器讓程式員輸入機器特定的組合語言碼，如同標準D代碼—通常由系統程式員使用的技術，以存取處理器的低階功能，直接以硬體下的界面執行程式，如作業系統以及驅動程式。

D內建支援文件註解，不過目前為止，只有Digital Mars實作版本有提供文件產生器。

程式設計範型

D支援五種主要的程式設計泛型—指令式、物件導向以及元程式設計、函数式和并发（演员模型）。

指令式

指令式程式設計幾乎和C一樣。函式、資料、語句、宣告以及表達式的運作就如同C一般，且可直接存取C執行時期程式庫。

物件導向

在D裡面的物件導向程式設計，是以單繼承分層結構，配合所有類別衍伸自類別物件為基礎。多重繼承可使用界面（界面很像C++的抽象類別）。

元程式設計

以模板組合、編譯時期函式執行、多元組以及字串混合來支援元程式設計。

記憶體管理

記憶體通常以垃圾回收管理，不過當這些物件超出作用域時，可立即結束指定的物件。還是可以使用重載運算子new和delete，以及簡單的直接呼叫C的malloc函数和free函数以進行顯示的記憶體管理。垃圾回收可禁用個別的物件或事件，以健全整個程式，如果在記憶體管理上有更多的控制，則更為理想。當垃圾回收在程式中有所不足時，手冊還提供許多如何實作不同的高度最佳化記憶體管理方案的範例。

與其它系統的相互作用

支援C的應用程式二進制介面（ABI），以及C的基本和衍伸型態，就能直接存取現有的C代碼以及程式庫。C的標準函式庫也是D標準的一部分。除非你使用非常清楚的命名空間，它可以稍微散亂的存取，因為它散佈遍及於D模組—不過純粹的D標準函式庫也通常夠用，除非要與C代碼接合。

並未完整支援C++的ABI，儘管D可以存取寫給C ABI的C++代碼，且可存取C++COM（元件物件模型）代碼。D語法分析器了解外部（C++）呼叫約定，以連結C++物件，不過它只實作在D 2.0。

D 2.0

D 2.0，D 新一代版本，D2.0与D1.0是不兼容的，类似Python2和Python3的区别。目前D2已经稳定下来。其中一部分特性包括支援強制常數正確性（const-correctness），以及有限的支援連結以 C++ 編寫的代碼。

实现

目前D直接編譯成原生碼以高效執行。

D语言1.x版本已稳定，不再功能变更或扩展，2.0版本是其正式版本，不完全相容舊版本的語言和編譯器。官方編譯器由Walter Bright定義語言本身。

問題和爭議

運算子重載

D運算子重載在一定程度上不如C++強大。簡單的例子是opIndex，它不允許返回引用。這使像是obj[i] = 5;的賦值不可能存在。D的解決方法是opIndexAssign運算子，它只用於這種特殊情況。此外，C++返回參考的方法允許返回型態的重載賦值運算子的用法。這在目前的D還不可能做到。D 2.0將會引入opIndexLvalue修正 - 類似運算子重載和opIndexAssign。

低功的結構

結構在D之中是一種樸素舊式資料的型態，不過也可像變數一樣包含方法。這對有意輕量化的建構而言相當實用，如矩陣或向量，這些不需要完整的D類別功能（以及體積）。然而，D結構沒有建構子和解構子。建構子可用靜態opCall運算子部分取代，不過它沒有適合的解構子等價物。此外，結構不允許繼承，這會是有益的設計，如詭異循環模板模式（curiously recurring template pattern）的使用。

標準函式庫中缺乏功能

D的標準函式庫稱作Phobos（页面存档备份，存于互联网档案馆），且時常被認為過分簡單。tango（页面存档备份，存于互联网档案馆）專案編寫另一個標準函式庫試圖修正這一部分，不過phobos和tango目前由於不同的物件類別實作（導致垃圾回收困難）而互不相容。存在兩種事實上的標準函式庫可能導致更大的問題，部分軟體使用phobos，而其它軟體使用tango。

缺乏明確的目標

D經常限於「修正並改進的C++」。這會導致過分強調功能，這起因於加入新功能只是因為他們認為有用。舉個例子，關聯陣列可簡單的以標準函式庫實現。[原創研究？]

未完成對共享／動態函式庫的支援

Unix的ELF共享函式庫使用GDC編譯器支援到某個程度。在Windows系統中，目前還不支援DLL。因此現階段不可能編寫插件。不像C++，經由C函式傳送的D物件將不能運作，因為這將會與垃圾回收器產生衝突。

範例

範例1

這個範例程式會輸出它自己的命令列參數。main函式是D程式的進入點，args是表示為字串陣列的命令列參數。在D語言裡的字串是一個字元陣列，以char[]表示。新版本中定義string為char[]的別名，不過別名定義必須與舊版本相容。 

import std.stdio;       // 以使用writefln()
alias char[] string;    // 以相容舊的編譯器；新的編譯器中已隱含定義
int main(string[] args)
{
    foreach(i, a; args)
        writefln("args[%d] = '%s'", i, a);
    return 0;
}

foreach語法可迭代所有的集合，在本例中，它從args陣列生成索引（i）和值（a）的序列。索引i和值a的型態會從args陣列的型態推斷。

範例2

本例使用關聯陣列建立更複雜的資料結構。 

import std.stdio;       // 以使用writefln()
alias char[] string;    // 以相容舊的編譯器；新的編譯器中已隱含定義

int main(string[] args)
{
    // 宣告以字串鍵和字串陣列作為資料的關聯陣列
    string[] [string] container;

    // 將人們加入到容器中，並讓他們攜帶一些項目
    container["Anya"] ~= "scarf";
    container["Dimitri"] ~= "tickets";
    container["Anya"] ~= "puppy";

    // 迭代容器中所有的人
    //Iterate over all the persons in the container
    foreach (string person, string[] items; container)
        display_item_count(person, items);
    return 0;//完成
}

void display_item_count(string person, string[] items)
{
    writefln(person, " is carrying ", items.length, " items.");
}

範例3

本例繁多的註解顯示出D語言與C++ 的不同之處，以及仍然保留的方面。 

#!/usr/bin/dmd -run
/* 支援sh風格的script語法！*/
/* D語言的Hello World
 * 進行編譯：
 *   dmd hello.d
 * 或進行最佳化：
 *   dmd -O -inline -release hello.d
 * 或產生文件：
 *   dmd hello.d -D
 */

import std.stdio;       // 參照常用的I/O例行工作。
alias char[] string;    // 以相容舊的編譯器；新的編譯器中已隱含定義

int main(string[] args)
{
    // 'writefln' (寫入-格式化-行，Write-Formatted-Line)即型態安全的「printf」
    writefln("Hello World, "             // 自動連結的字串文字
             "Reloaded");

    // 字串即字元的動態陣列「char[]」，別名為「string」
    // 自動的型態推斷，以及內建的foreach
    foreach(argc, argv; args)
    {
        auto cl = new CmdLin(argc, argv);                       // 支援OOP
	writefln(cl.argnum, cl.suffix, " arg: %s", cl.argv);    // 使用者定義的類別屬性。

	delete cl; 	              // 垃圾回收或顯示的記憶體管理——由你自己選擇
    }

    // 巢狀結構、類別和函式
    struct specs
    {
        // 所有的變數會在執行時期自動初始化為0
        int count, allocated;
 	// 不過你可選擇避開陣列的初始化
        int[10000] bigarray = void;
    }

    specs argspecs(string[] args)
    // 可選用的（內建）函式契約。
    in
    {
        assert(args.length > 0);                   // 內建assert
    }
    out(result)
    {
        assert(result.count == CmdLin.total);
        assert(result.allocated > 0);
    }
    body
    {
        specs* s = new specs;
        // 不需要「->」
        s.count = args.length;  // 「length」屬性是元素的數量。
        s.allocated = typeof(args).sizeof; // 原生型態內建的屬性
 	foreach(arg; args)
 	    s.allocated += arg.length * typeof(arg[0]).sizeof;
 	return *s;
    }

    // 內建字串和普通的字串操作，例如「~」是連結。
    string argcmsg = "argc = %d";
    string allocmsg = "allocated = %d";
    writefln(argcmsg ~ ", " ~ allocmsg,
	    argspecs(args).count,argspecs(args).allocated);
    return 0;
}
 
/**
 * 儲存單獨命令列參數
 */
class CmdLin
{
    private
    {
        int _argc;
        string _argv;
        static uint _totalc;
    }
 
    public:
        /**
         * 物件的建構子。
         * 參數：
         *   argc = 參數的序列計數。
         *   argv = 參數內文。
         */
        this(int argc, string argv)
        {
            _argc = argc + 1;
            _argv = argv;
            _totalc++;
        }

        ~this() // 物件的解構子
        {
            // 本例中不做任何事。
        }

        int argnum() // 屬性，可返回參數數目
        {
            return _argc;
        }

        string argv() // 屬性，可返回參數內文
        {
            return _argv;
        }

        wstring suffix() // 屬性，可返回序數後綴
        {
            wstring suffix; // 內建Unicode字串（UTF-8，UTF-16，UTF-32）
            switch(_argc)
            {
                case 1:
                    suffix = "st";
                    break;
                case 2:
                    suffix = "nd";
                    break;
                case 3:
                    suffix = "rd";
                    break;
                default:  // 'default' is mandatory with "-w" compile switch.
                    suffix = "th";
            }
            return suffix;
        }

        /**
          * 靜態屬性，如同在C++ 或Java中，
          * 適用於類別物件，而不是實體。
          * 返回：己加入的命令列參數總數。
          */
        static typeof(_totalc) total()
        {
            return _totalc;
        }

        // 類別不變量，任何方法在執行之後，這些必須為真。
        invariant ()
        {
            assert(_argc > 0);
            assert(_totalc >= _argc);
        }
}

範例4

本例顯示出一部分D語言強大的編譯時期特性。 

/*
 * D語言裡的模板比C++ 的要更加強大。
 * 在此可以看到使用static if（D的編譯時期條件建構）簡單的建構出階乘模板。
 */
template Factorial(ulong n)
{
    static if( n <= 1 )
        const Factorial = 1;
    else
        const Factorial = n * Factorial!(n-1);
}

/*
 * 這裡有一個正規的函式，可完成同樣的計算。
 * 注意它們有多麼的相似。
 */
ulong factorial(ulong n)
{
    if( n <= 1 )
        return 1;
    else
        return n * factorial(n-1);
}

/*
 * 終於，我們可以計算我們的階乘。注意，我們不需要去
 * 明確的指定我們的常數的型態：編譯器有足夠的智能為
 * 我們填充空白，因為它早已知道賦值中右手邊的型態。
 */
const fact_7 = Factorial!(7);

/*
 * 這是編譯時期函式評估的範例：普通函式可用於常數、
 * 編譯時期表達式，假若它們滿足一定的條件。
 */
const fact_9 = factorial(9);

/*在此我們可以看到多麼強大的D我們使用 
 * std.metastrings.Format模板完成型態安全的printf 
 * 資料格式化，並使用message pragma顯示計算結果。
 */
import std.metastrings;
pragma(msg, Format!("7! = %s", fact_7));
pragma(msg, Format!("9! = %s", fact_9));

/*
 * 完成任務後，我們可以強制停止編譯。這樣的程式需是
 * 從未實際編譯成可執行檔！
 */
static assert(false, "My work here is done.");

參考資料

  1. ^ D Change Log to Nov 7 2005. D Programming Language 1.0. Digital Mars. [1 December 2011]. （原始内容存档于2019-03-11）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.108.0. [2024年4月2日]. 
  3. ^ Metz, Cade. The Next Big Programming Language You’ve Never Heard Of. Wired.com. 《连线》杂志. 2014年7月7日 [2014年7月27日]. （原始内容存档于2014年7月26日）. Today, Alexandrescu is a research scientist at Facebook, where he and a team of coders are using D to refashion small parts of the company’s massive operation. 
  4. ^ Dlang关于LDC的wiki. [28 August 2012]. （原始内容存档于2013-08-24）. 

外部連結

維基教科書中的相關電子教程：Programming:D
特性
函式庫
編譯器
C與其他的程式語言
派生的程式語言

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