不喜欢 D 和 C++，程序员将 58000 行代码移植到 Jai 语言？
摘要：将已有的上万行代码迁移至另一种编程语言，从来就不是一件容易决定的事情，而本文作者却信心满满地要将 5.8 万行代码全部用另一种不那么主流的语言重写，这是为什么呢？
链接：https://www.yet-another-blog.com/porting_the_game_to_jai_part0/
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在这篇文章中，我将分享把一款正在开发的游戏移植到 Jai 语言的经过。游戏本身主要是用 D 和 C++ 编写的，总共有 58,620 行代码（不包括库）。
原因
你可能想问，为什么要将如此大规模的程序移植到另一种编程语言？你完全可以等到新项目再用新语言嘛！
我之所以移植这些代码，原因主要有以下几个：
目前这些语言给我的日常工作带来了无尽的痛苦。
我有合适的系统来帮助我移植代码，所以我认为此次移植能够顺利进行。
对于我来说，Jai 似乎比 C++ 或 D 更具吸引力。
最重要的原因是：我喜欢 Jai！
为什么放弃 C++
网上有很多文章诉说了 C++ 的缺点，所以我不打算在此赘述。简单来说，C++ 几十年的发展积累了很多错误决定，我们没有任何方法去摆脱它们。标准库是一场灾难，使用其他人的代码也非常困难，而且不知何故，C++ 每次添加的新功能都有陷阱。
虽然 C++ 的这些缺点也不至于糟糕到让人避之不及，但它确实给我带来了很多痛苦。此外，这些年来 C++ 的发展似乎不尽如人意，我不觉得这门语言会越来越好，所以我还是想逃离 C++ 生态系统。
为什么放弃 D 语言
2019 年，当我开始开发这款游戏时，已决定放弃 C++，但我不确定应该选用何种语言。最终，我选择了 D 语言，因为这门语言与 C++ 类似，但没有 C++ 的那些缺点。然而不幸的是，事实证明 D 语言也有一些 C++ 中不存在的缺点。
虽然 D 语言有一些优点，比如更强大的元编程、不需要头文件、没有未初始化的值等，但相较于缺点而言，这些优点不值一提。
我在 Windows 的两款 D 编译器（dmd 和 ldc2）之间来回折腾了 4 年之久，到头来却发现在 Windows 上编写 D 代码，只适合个人的业余项目或早期不成熟的软件，该语言完全不像有 20 多年的发展经历。
就目前的情况来看，我不建议任何人使用 D 语言在 Windows 开发正式项目。相较而言，继续使用 C++ 才是更好的选择。根据我多年的经验来看，在 Windows 编写 D 代码所面临的最大问题在于，其调试信息千疮百孔：
90% 的情况下不会给出 this 指针，或给出错误的 this 指针；
函数堆栈上的变量经常不完整、丢失或有误；
变量的值有时会报告错误，却看不到任何其他问题；
静态 foreach 扩展的处理不当，甚至会导致调试器紊乱；
mixins（相当于 D 语言的宏）生成的调试信息会导致调试器找不到正确的文件（因此你需要逐步反汇编）；
在 visual studio 中，将指令指针移到上一行常常会导致程序在下一条指令上崩溃。
网上有人告诉我，一直以来 DMD 的调试信息就存在很多质量上的问题，但不幸的是，上述大部分问题不仅限于 DMD，Windows 的两个编译器都有这些问题。除了调试之外，元编程的核心部分还存在其他问题和缺点：
不同的编译阶段以奇怪的方式交互，常常导致元编程出现意外，同时还会产生具有误导性的错误；
ldc2 的编译速度非常慢，但有时这款编译器是唯一的选择，因为 DMD 有 bug；
D 提供了一种 betterC 模式，其中包括禁用垃圾收集。然而，在使用这种模式时，标准库不会被编译，而且元编程也会遇到重大问题；
缺少文档；
此外，还有一堆小问题。
总之，虽然从某些方面来看，D 确实比 C++ 略胜一筹，但其他方面的小问题非常多，累积起来导致使用 D 语言编程也非常痛苦。糟糕的调试信息和垃圾收集的需求很致命，我的整体感受是，D 的创始人对 C++ 的看法似乎与我截然不同。我只是希望改进 C++，而不是用一些 C++ 的问题来换取 D 的其他问题。现在我对调试器有严重的信任问题。
为什么选择 Jai
Jai 是 Jonathan Blow 于 2014 年开发的一款编程语言，而编译器一直到 2019 年 12 月才开始内测。如今封闭测试仍在进行中，大约两个月前，我应邀参加了这项测试。
Jai 的设计初衷也是希望改进 C++，但与 D 语言不同，Jai 正在对 C++ 做出有意义的改进。在我看来，最重要的改进包括编译速度更快，以及允许通过无限制的编译时执行来实现元编程。
请注意，这里我所说的编译速度提升可不止 20%，而是 10～100 倍；而且你能在编译期间执行任何操作，不仅限于元编程。尤其是，元编程与编译时编译器 API 的结合使用具有深远的影响，例如你不再需要构建系统，或启用复杂的自定义检查。除此之外，Jai 还对 C++ 进行了其他方面的改进，比如更好的默认值、更简单的语法、更实用的标准库、命名函数参数、上下文、using 等等。我希望我的游戏从 D 移植到 Jai，能够获得以下提升：
编译时间从现在的 60 秒减少到 5 秒以下，争取能缩短至 1 秒左右；
调试器能够正常工作；
用 Jai 代码替换构建脚本；
使用元编程引入自定义编译检查，以抓取更多错误；
用更简单的命令式代码替换复杂的元编程代码；
各种语法改进，减少代码中的繁琐部分；
删除使用多种语言时不可避免的重复。
我希望通过这篇文章记录我的期望，将来可以回过头来检查有多少期望真的实现了。
为什么不是其他语言
如上所述，我不喜欢 C++ 和 D 语言，而 Jai 看起来很不错。那么，其他编程语言呢？似乎 Rust 也是一个很好的备选。这门语言风头正盛，而且还有一个热心的社区，但我个人认为 Rust 并没有做出正确的权衡。
它的支持者都是唯“内存安全”是论者，考虑到如此多的漏洞都是内存安全引发的，我可以理解这种心态，但他们忽略了其他高安全性、高质量的方法。例如，我相信如果 C 和 C++ 没有零终止字符串、默认初始化值，那么大部分漏洞都不会存在；再加上合适的指针+长度类型，就可以用边界检查代码取代 90% 的指针计算；然后再建立一种文化，不鼓励大家自己想办法自行管理内存。
除此之外，我认为，我们在寻找“安全的”代码时完全忽视了我们拥有如此多漏洞的最主要的因是，我们的文化对复杂性的容忍，甚至是鼓励。总之，忍受 Rust 慢吞吞的编译并接受借用检查器是一种极端的解决方案，并没有解决最重要的问题，这是一个文化上的问题。另一方面，Jai 非常在意复杂性，并努力建立正确的文化。
对于其他不太受欢迎的语言，例如 Zig，我只能说虽然它们可能具有巨大的潜力，但我并无法相信它们是正确的选择。我不是说这些语言不好，只是它们不适合我。
移植方法
在本文开头，我曾说过我认为此次移植能够顺利进行，原因是我的游戏中有两个系统，对此次移植有很大的帮助：
我的游戏可以将游戏过程中的输入（HID、加载的文件、网络等）记录到一个文件中，之后进行回放。在回放的过程中，系统可以将记录下来的输入传递给游戏循环，从而重现一模一样的游戏状态。
玩游戏期间，系统可以在各个时间点，对游戏状态进行哈希处理，并将这些哈希值保存到不同的文件中。在回放整个游戏过程时，系统可以利用这些文件检查游戏的状态是否与原来匹配。
实际的功能和上面的描述有一些细微的差别，但不会影响整体的逻辑。根据这些特性，我的移植计划如下：
将一小段代码从 D 或 C++ 复制到 Jai，然后编译；
调用这段 Jai 代码；
回放录制的游戏会话；
如果回放出现分歧，则说明移植引入了 bug，修复 bug；
如果回放没有出现分歧，则说明移植成功；
重复以上操作。
关于该方法是否有效，我需要考察两个关键问题：
移植引入的 bug 是否会导致游戏状态出现明显的分歧？
能否以少量、渐进式的方式移植代码，这样在得知存在 bug 时，更容易找到bug？
第一个问题取决于状态哈希覆盖了多少代码。一部分代码需要判断游戏是否正在回放，这部分代码在回放时有不同的行为，因此无法完成真正的哈希处理。例如，写入文件的功能在回放时会直接丢弃所有数据，因此如果移植在写入文件的代码时引入 bug，则不会被哈希处理注意到。幸运的是，大多数代码不属于这一类。
最初，只有很小一部分代码使用了哈希处理，例如物理模拟，但最近我设法进行了扩展，在向动态数组插入数据时，用哈希来记录其大小和容量。这意味着，插入动态数组的代码中的 bug 很快就会被发现。由于动态数组的使用在我的代码中随处可见，所以对于庞大且复杂的数学算法来说，即便是一个很小的变化，也能带来立竿见影的效果。
第二个问题是一个经典的编程问题：代码的解耦性如何？这个问题非常有趣，因为在移植的过程中，我将亲眼目睹我的代码库中究竟封存了多少不为我所知的复杂性。一个明显的问题是模板函数，这些代码无法直接移植，因为函数的定义和调用必须在同一个编译器中，模板才能发挥作用，除非你手动实例化模板。我的代码库中有大量的模板化代码，但大多不依赖于容器或序列化，所以我希望不会引起太大的麻烦。
移植过程
下面这张图是移植前的代码库状态：
整个代码库有 45,701 行 D 代码和 12,919 行 C++ 代码，总共 58,620 行。 编译时间如下：
在调试模式下，ldc2 需要 3 分钟才能完成编译，内存使用量峰值约为 8GB，如果打开浏览器，我笔记本电脑的 16GB 内存很容易就饱和了。发布模式更糟糕，约为 11.5GB。
为了记录移植进度，我绘制了如下代码库的示意图：
如果一切按计划进行，上面两张图中的颜色都会改变，我非常期待！
最后，我来说一下我期待的效果：
整个移植的过程需要 160 小时，每周工作 40 小时，一共需要一个月。
编译时间从 1 分钟缩减到 5 秒以下，理想值为 1 秒左右。