Die Programmiersprache C wird seit ihrer Entstehung als eine Low-Level-Sprache betrachtet. Dies hat sich jedoch in den letzten Jahrzehnten grundlegend geändert. C war ursprünglich dafür gedacht, die Hardware auf einfache Weise anzusprechen und eine direkte Abbildung der Maschinenarchitektur zu ermöglichen. Unter der Prämisse „close to the metal“ – also nah an der Maschinenschicht – konnten Programmierer auf dem damals populären PDP-11-System genaue Erwartungen an die Ausführung ihres Codes stellen. Doch diese Zeiten gehören längst der Vergangenheit an.
Moderne Prozessoren und die Entwicklung ihrer Architektur haben die Vorstellung von C als einer Sprache, die unmittelbar auf der Hardware arbeitet, stark in Frage gestellt. Ein kritischer Blick auf die jüngsten Sicherheitslücken wie Spectre und Meltdown zeigt deutlich, wie weit sich die Hardware von der ursprünglichen abstrakten Maschine entfernt hat, die C annahm. Diese Schwachstellen sind durch spekulative Ausführung möglich geworden, eine Technologie, die darauf abzielt, den Anweisungsdurchsatz durch Vorausberechnung zu optimieren. Dabei wird die Erwartung des C-Programmierers unterlaufen, dass Operationen seriell und strikt nacheinander ablaufen. Die Komplexität moderner Prozessoren, die mehrfach parallele Ausführungspfade, Register-Umbenennung, mehrere Cache-Ebenen und weitreichende Optimierungen ermöglichen, ist weit von der simplen und sequentiellen Architektur der ursprünglichen C-Zielplattform entfernt.
Die Garantie von C auf ein flaches Speicherabbild ist längst obsolet geworden, da heutzutage auf den meisten Rechnern ein mehrstufiges Cache-System zwischen Prozessorregistern und Hauptspeicher liegt. Der Zugriff auf Daten ist dadurch nicht mehr unmittelbar vorhersagbar und hängt von der Cache-Hierarchie ab, die für den Programmierer in C unsichtbar bleibt. Trotz dieser Diskrepanz haben Compilerentwickler enorme Anstrengungen unternommen, um C-Programme dennoch performant auf hochkomplexer Hardware auszuführen. Große Compilerprojekte wie LLVM bestehen aus Millionen von Zeilen Code, die an unzähligen Stellen komplexe Analysen und Optimierungen durchführen. Dabei müssen sie programminterne Annahmen treffen, die teilweise gegen die offizielle C-Spezifikation verstoßen, um die nötige Performance zu ermöglichen.
Beispielsweise sind Optimierungen wie automatische Vektorisierung von Schleifen oder das Umstrukturieren von Speicherlayouts aufwändig in C, weil die Sprache explizite Kontrolle über Speicheranordnung erlaubt und oftmals sogar erzwingt. Die Programmiersprache C ist zudem berüchtigt für undefiniertes Verhalten, etwa bei der Verwendung von nicht initialisierten Variablen oder Pointer-Arithmetik. Was auf den ersten Blick als Low-Level-Feature erscheint, führt in der Praxis dazu, dass moderne Compiler viele Freiheiten bei der Umgestaltung des Codes haben, um Optimierungen durchzuführen. Dies widerspricht der Vorstellung, dass ein C-Programmierer jederzeit exakt weiß, wie der Code auf der Maschine ausgeführt wird. Die Herausforderung, C effizient zu gestalten, liegt auch an der eingeschränkten Möglichkeit, Informationen über Datenabhängigkeiten und Speichermodifikationen innerhalb von Programmen explizit an den Compiler weiterzugeben.
Während Sprachen wie Fortran beispielsweise durch ihre Spezifikationen explizit erlauben, dass Kompilierer weitreichende Optimierungen durchführen können, sind C-Compiler stark eingeschränkt. Attribute wie das Schlüsselwort restrict helfen zwar, sind aber bei weitem nicht so umfassend wie die Maßnahmen anderer Sprachen zur Verbesserung der Performanz. Hinzu kommt, dass C in puncto Parallelität und moderne Hardwarearchitekturen oft als hinderlich betrachtet wird. CPUs haben längst mehrere Kerne und setzen auf Multithreading und große Vektoreinheiten, die sich nur schwer in das klassische C-Programmiermodell integrieren lassen. Das parallele Programmieren mit C erfordert meist detaillierte manuelle Eingriffe und komplexe Frameworks, während modernere Sprachen mit höherem Abstraktionsgrad und eingebauten Parallelitätsmodellen den Prozess vereinfachen.
Es gibt jedoch Ansätze, Prozesse und Architekturen zu entwickeln, die sich nicht primär an der Kompatibilität zu C orientieren, sondern auf moderne Konzepte der Parallelität, Speicherverwaltung und Immuntabilität setzen. Systeme wie ARMs Scalar Vector Extensions (SVE) oder die Verwendung von actor-basierten Modellen, wie sie in Erlang verwendet werden, zeigen Wege auf, wie Hardware und Software zusammenwachsen können, ohne auf die einschränkenden Vorstellungen einer sequentiellen und flachen Speicherstruktur zurückzugreifen. Darüber hinaus haben Forschung und Industrie begonnen, von der Vorstellung abzurücken, dass Programmierung auf Low-Level-Ebene gleichbedeutend mit maximaler Effizienz ist. Stattdessen wird zunehmend erkannt, dass intelligentes Design von Hardware und Software in Kombination mit fortschrittlichen Abstraktionen oft weitaus bessere Ergebnisse bei Performance und Sicherheit liefert. Das Festhalten an C als Low-Level-Sprache macht also nur noch begrenzt Sinn, wenn man die Anforderungen moderner Computersysteme betrachtet.
