机器人热门编程语言及优缺点分析

機(jī)器人編程語言最早于20世紀(jì)70年代初期問世，到目前為止已有多種編程語言出現(xiàn)，在眾多機(jī)器人編程語言中究竟哪種編程語言最好呢？這個問題困擾了很多新手學(xué)者，但遺憾的是，這是一個沒有準(zhǔn)確答案的問題，你問不同的人會得到不同的答案，對于機(jī)器人學(xué)者來說建立“編程思維“才是最關(guān)鍵的，而不是用一種特定語言去衡量，在很多方面，學(xué)習(xí)哪種機(jī)器人編程語言并不是最重要的，重要的是通過編程思維來不斷提升自己的技能。

回到本文主題，我們將為大家介紹機(jī)器人研發(fā)中比較主流的5種機(jī)器人編程語言，并對他們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

一、Python——一種動態(tài)的、面向?qū)ο蟮哪_本語言

在機(jī)器人研究領(lǐng)域，Python 占據(jù)了重要地位。其中一個原因很可能是 Python（和C ++）是ROS中的兩種主要編程語言。像JAVA一樣，它是一種解釋性語言。但也不同于JAVA，Python 語言主要集中在可用性上。

Python優(yōu)點(diǎn)：

1．更易入門

Python程序簡單易懂，初學(xué)者學(xué)Python更易入門且深入下去可編寫非常復(fù)雜的程序，且開發(fā)效率高，有非常強(qiáng)大的第三方庫。

2．高級語言

當(dāng)你用Python語言編寫程序的時候，你無需考慮諸如如何管理你的程序使用的內(nèi)存一類的底層細(xì)節(jié)

3．可移植性

由于它的開源本質(zhì)，Python已經(jīng)被移植在許多平臺上（經(jīng)過改動使它能夠工 作在不同平臺上）。如果你小心地避免使用依賴于系統(tǒng)的特性，那么所有Python程序無需修改就幾乎可以在市場上所有的系統(tǒng)平臺上運(yùn)行

4．可擴(kuò)展性

如果需要一段關(guān)鍵代碼運(yùn)行得更快或者希望某些算法不公開，就可將部分程序用C或C++編寫，然后在你的Python程序中使用它們。

Python缺點(diǎn)：

1．運(yùn)行速度慢

Python的運(yùn)行速度相比C語言確實(shí)慢很多，跟JAVA相比也要慢一些。

2．線程不能利用多CPU問題

這是Python被人詬病最多的一個缺點(diǎn)。

二、C /C ++——大多數(shù)中國程序員的第一個語言

C++語言是從C語言發(fā)展過來的，是一門面向?qū)ο蟮恼Z言，它繼承了C語言的優(yōu)勢。很多人都認(rèn)為 C 和 C ++ 對機(jī)器人科學(xué)家來說是一個很好的開端。因?yàn)榇蟛糠值挠布焓褂眠@些語言，允許實(shí)時性能，是非常成熟的編程語言。

C /C ++優(yōu)點(diǎn)：

1．跨平臺性好

C/C++可以潛入任何現(xiàn)代處理器中，幾乎所有的操作系統(tǒng)都支持，跨平臺性非常好。

2．運(yùn)行效率高

C語言體型小巧，簡潔高效并且接近匯編語言，C++功能在C的基礎(chǔ)上增加面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，代碼可讀性好，運(yùn)行效率高。

3．語言簡潔，編寫風(fēng)格自由

兼有高級語言與匯編語言的優(yōu)點(diǎn)，語言簡潔、緊湊，使用方便、靈活豐富的運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型，能訪問內(nèi)存地址和位操作等硬件底層操作，生成的目標(biāo)代碼質(zhì)量高。

C/C++缺點(diǎn)：

1．無垃圾回收機(jī)制

相對于JAVA來說，沒有垃圾回收機(jī)制，容易引發(fā)內(nèi)存泄露

2．學(xué)習(xí)較困難

從應(yīng)用的角度，C語言比其他高級語言較難掌握。也就是說，對用C語言的人，要求對程序設(shè)計更熟練一些。

3．?dāng)?shù)據(jù)安全性上有缺陷

C語言的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的封裝性上，這一點(diǎn)使得C在數(shù)據(jù)的安全性上有很大缺陷，這也是C和C++的一大區(qū)別。　

三、JAVA——世界上使用范圍最廣的語言

JAVA語法規(guī)則和C++類似，從某種意義上來說，JAVA是由C和C++語言轉(zhuǎn)變而來的。像C＃和MATLAB一樣，JAVA是一種解釋性語言，這意味著它不會被合并到機(jī)器語言代碼中。相反，JAVA虛擬機(jī)在運(yùn)行時解釋指令。理論上來說，基于JAVA虛擬機(jī)，使用JAVA可以在不同機(jī)器上使用類似的代碼。但實(shí)際上，這并不普遍使用，有時會導(dǎo)致代碼運(yùn)行緩慢，但是JAVA編程語言在機(jī)器人研究中非常流行。

JAVA優(yōu)點(diǎn)：

1．更易學(xué)習(xí)

由于JAVA語言與C語言和C++語言比較接近，使大多數(shù)程序員學(xué)起來更簡單。

2．支持動態(tài)綁定

JAVA語言全面支持動態(tài)綁定，而C++語言只對虛函數(shù)使用動態(tài)綁定。

3．支持Internet應(yīng)用開發(fā)

JAVA語言支持Internet應(yīng)用的開發(fā)，在基本的JAVA應(yīng)用編程接口中有一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口（JAVA.net），它提供了用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程的類庫，包括URL、URLConnection、Socket、ServerSocket等。

4．更安全

JAVA語言提供了一個安全機(jī)制以防止惡意代碼的共計，相對來說更安全。

5．具有可移植性

JAVA語言是可移植的，這種可移植性來源于體系結(jié)構(gòu)中立性，另外，JAVA還嚴(yán)格規(guī)定了各個基本數(shù)據(jù)類型的長度。

JAVA缺點(diǎn)：

1．運(yùn)行需要安裝JAVA虛擬機(jī)

JAVA語言最大的缺點(diǎn)就是運(yùn)行JAVA程序需要裝JAVA虛擬機(jī)，就這一條嚴(yán)重的影響了JAVA應(yīng)用程序的使用，基本看不到JAVA的應(yīng)用程序。

2．運(yùn)行成本較高

另外JAVA程序的運(yùn)行成本比較高，過去機(jī)器配置不夠高的時候，JAVA顯得很慢現(xiàn)在隨著JAVA本身的版本升級和電腦性能的強(qiáng)化這條基本已經(jīng)不是問題了。

四、C＃/.NET——微軟提供的一種限制性編程語言

C＃/ .NET很大程度上是為微軟機(jī)器人工程師工作室提供的，微軟機(jī)器人工程師工作室將其作為基本語言。如果使用這個框架，就必須學(xué)習(xí) C＃。

C＃/.NET優(yōu)點(diǎn)：

1．強(qiáng)大的.Net Framework托管代碼集合類

,封裝了大多數(shù)windows上使用的技術(shù)組件類, 文件系統(tǒng)，UI界面，數(shù)據(jù)源訪問，網(wǎng)絡(luò)訪問，COM互操作(圖形圖像多媒體,WPF圖形系統(tǒng))，沒有的可以通過.net的平臺調(diào)用win API函數(shù)來得到。

2．較簡單的語言特性

自動內(nèi)存管理, 單繼承，支持事件、委托、屬性、Linq等一系列讓業(yè)務(wù)開發(fā)更簡單的功能。

3．Web應(yīng)用程序開發(fā)速度快

Web應(yīng)用程序開發(fā)速度快(.net框架的支持，控件可以拖拉(UI方便編輯和定位)，添加事件(跳轉(zhuǎn)到控制邏輯層),ADO.net數(shù)據(jù)源訪問, xml 網(wǎng)絡(luò)類庫, windows服務(wù))。

4．和語言平臺無關(guān)的編譯機(jī)制及較快的運(yùn)行速度

和語言平臺無關(guān)的編譯機(jī)制，及較快的運(yùn)行速度(ms不推薦, mono的 Xamarin, Unity還不錯)：編譯成IL中間語言，CLR公共語言運(yùn)行庫托管代碼，CLR根據(jù)運(yùn)行時程序需要將IL中間語言用JIT即時編譯方式編譯為內(nèi)部機(jī)器代碼，對編譯好的機(jī)器代碼緩存起來，提高了程序速度。

5．代碼安全性

window是基于角色的安全機(jī)制，.net提供了基于代碼的安全機(jī)制，由于中間語言提供了類型安全性，CLR在運(yùn)行前檢查代碼，確定是否有需要的安全權(quán)限，CLR沒有權(quán)限則不能執(zhí)行該代碼。

C＃/.NET缺點(diǎn)：

1.底層和高性能不合適

不合適做時間性能很高(高速算法)或空間性能很靈活(內(nèi)存立即釋放)的程序，因?yàn)橹虚g語言和編譯過程，比C/C++Native類型的語言會慢一些，內(nèi)存自動回收難以立即釋放不需要的內(nèi)存，不采用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)(不建議)。

2.Windows平臺以外支持有限

mono不夠成熟好用，window以外Java,Python等是很強(qiáng)大和同樣優(yōu)秀的。

五、MATLAB——一種面向數(shù)值計算的高級程序設(shè)計語言

MATLAB和它的開源親戚（例如Octave）在一些機(jī)器人專家中非常有名，是他們負(fù)責(zé)調(diào)查數(shù)據(jù)和創(chuàng)建控制系統(tǒng)常用的語言。還有一個非常有名的MATLAB機(jī)器人工具箱。使用MATLAB單獨(dú)創(chuàng)建整個機(jī)器人系統(tǒng)的人員。如需要分解數(shù)據(jù)，創(chuàng)建高級圖表或執(zhí)行控制系統(tǒng)，那就很可能需要學(xué)習(xí)MATLAB。

MATLAB優(yōu)點(diǎn)：

1．編程效率高

MATLAB語言為演算紙式科學(xué)算法語言，由于它編程簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。

2．高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算

MATLAB語言像BASIC、C語言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大部分可以毫無改變的照搬到數(shù)組建的運(yùn)算中。

MATLAB缺點(diǎn)：

1．循環(huán)運(yùn)算效率低。

MATLAB中所有的變量均為向量形式，這樣一方面在對向量進(jìn)行整體的計算時，表現(xiàn)出其他語言難以表現(xiàn)出的高效率，但是對于向量中的單個元素，或是將向量作為單個的循環(huán)變量來處理時，其處理過程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。

2．封裝性不好。

一方面，所有的變量均保存在公共工作區(qū)中，任何語句都可以調(diào)用。另一方面，作為一個完備的軟件，而不是實(shí)現(xiàn)算法的程序，編程人員在使用MATLAB時需要花相當(dāng)多的時間考慮如何設(shè)計用戶界面。

本文為大家列舉了機(jī)器人編程比較熱門的5種語言，但這并不意味著需要全部掌握，對于開發(fā)者來說，發(fā)現(xiàn)一種對自身來說很自然的語言更為重要，且適合你的機(jī)器人硬件，使你能快速上手。在這里建議先學(xué)習(xí)Python，Python是一門相對簡單易懂的語言，有許多有效的庫可供學(xué)習(xí)，且功能非常強(qiáng)大。