Rust
Rust是由Mozilla[11]主导开发的通用、编译型编程语言。设计准则为“安全、并发、实用”[12][13],支持函数式、并发式、过程式以及面向对象的程序设计风格。
编程范型 | 编译语言、并发计算、 函数式、指令式、 面向对象、结构化 |
---|---|
设计者 | Graydon Hoare |
实现者 | Mozilla |
发行时间 | 2010年 |
当前版本 |
|
类型系统 | 静态类型、强类型、 类型推论、结构类型 |
操作系统 | Linux、macOS、Windows FreeBSD、Android、iOS等[2] |
许可证 | Apache许可证2.0及MIT许可证[3] |
文件扩展名 | .rs、.rlib |
网站 | rust-lang.org |
启发语言 | |
Alef[4]、C#[4]、C++[4]、Cyclone[4][5] Erlang[4]、Haskell[4]、Hermes[4]、Limbo[4] Newsqueak[4]、NIL[4]、OCaml[4]、Ruby[4] Scheme[4]、Standard ML[4]、Swift[4][6] | |
影响语言 | |
C# 7[7]、Elm[8]、Idris[9]、Swift[10]、Carbon |
Rust语言原本是Mozilla员工Graydon Hoare的个人项目,而Mozilla于2009年开始赞助这个项目 [14],并且在2010年首次公开[15]。也在同一年,其编译器源代码开始由原本的OCaml语言转移到用Rust语言,进行自我编译工作,称做“rustc”[16],并于2011年实际完成[17]。这个可自我编译的编译器在架构上采用了LLVM做为它的后端。
第一个有版本号的Rust编译器于2012年1月发布[18]。Rust 1.0是第一个稳定版本,于2015年5月15日发布[19]。
Rust在完全公开的情况下开发,并且相当欢迎社区的反馈。在1.0稳定版之前,语言设计也因为透过撰写Servo网页浏览器排版引擎和rustc编译器本身,而有进一步的改善。它虽然由Mozilla资助,但其实是一个共有项目,有很大部分的代碼是来自于社区的贡献者[20]。
设计
Rust的设计目标之一,是要使设计大型的互联网客户端和服务器的任务变得更容易[21]。因此更加强调安全性、存储器配置、以及并发处理等方面的特性。
性能
在性能上,具有额外安全保证的代碼会比C++慢一些,例如Rust对数组进行操作时会进行边界检查(尽管可以通过一些方式[22]绕过[23]),而C++则不会,但是如果等价的C++代碼作手工检查,则两者性能上是相似的[24]。
编译报错
比起C/C++,Rust编译器的对于代码中错误的提示更清晰明了,开发者可根据提示轻松地修复代码中的错误。
编译速度
由于其编译器会做出额外的安全检查,Rust的编译速度有时低于C/C++。
语法
Rust的语法设计,与C语言和C++相当相似,区块(block)使用大括号隔开,控制流程的关键字如if
、else
、while
等等。在保持相似性的同时,Rust也加进了新的关键字,如用于模式匹配的match
(与switch
相似)则是使用C/C++系统编程语言的人会相对陌生的概念。尽管在语法上相似,Rust的语义(semantic)和C/C++非常不同。
内存安全
为了提供内存安全,它的设计不允许空指针和悬空指针[25][26]。 指针只能透过固定的初始化形态来建构,而所有这些形态都要求它们的输入已经分析过了[27]。Rust有一个检查指针生命期间和指针冻结的系统,可以用来预防在C++中许多的类型错误,甚至是用了智能指针功能之后会发生的类型错误。
所有权
Rust设计了一个所有权系统,其中所有值都有一个唯一的所有者,并且值的作用域与所有者的作用域相同。值可以通过不可变引用(&T
)、可变引用(&mut T
)或者通过值本身(T
)传递。任何时候,一个变量都可以有多个不可变引用或一个可变引用,这实际上是一个显式的读写锁。Rust编译器在编译时强制执行这些规则,并检查所有引用是否有效。[28][29]
内存管理
早期的Rust虽然有垃圾回收系统,但非如Java或.NET平台的全自动垃圾回收。Rust 1.0已不再使用垃圾回收器,而是全面改用基于引用计数的智能指针来管理内存。
类型与多态
它的类型系统直接地模仿了Haskell语言的类型类概念,并把它称作“traits”,可以把它看成是一种特设多态。Rust的作法是透过在宣告类型变量(type variable)的时候,在上面加上限制条件。至于Haskell的高阶类型变量(Higher-kinded polymorphism)则还未支持。
类型推导也是Rust提供的特性之一,使用let
语法宣告的变量可以不用宣告类型,亦不需要初始值来推断类型。但如果在稍后的程序中从未指派任何值到该变量,编译器会发出编译时(compile time)错误[30]。
函数可以使用泛型化参数(generics),但是必须绑定Trait。不能使用方法或运算符而不声明它们的类型,每一项都必确明确定义。
Rust的对象系统是基于三样东西之上的,即实现(implementation)、Trait以及结构化资料(如struct)。实现的角色类似提供Class关键字的编程语言所代表的意义,并使用impl
关键字。继承和多态则通过Trait实现,它们使得方法(method)可以在实现中被定义。结构化资料用来定义字段。实现和(trait)都无法定义字段,并且只有(trait)可以提供继承,藉以躲避C++的“钻石继承问题”(菱型缺陷)。
历史
2006年,Rust作为Graydon Hoare的个人项目首次出现。
2009年,Graydon Hoare成为Mozilla雇员[14]。
2010年,Rust首次作为Mozilla官方项目出现[15]。同年,Rust开始从初始编译(由OCaml写成)转变为自编译[16]。
2011年,Rust成功的完成了移植[17]。Rust的自编译器采用LLVM作为其编译后端。
2012年1月20日,第一个有版本号的预览版Rust编译器发布[18]。
2013年4月4日,Mozilla基金会宣布将与三星集团合作开发浏览器排版引擎Servo,此引擎将由Rust来实现[31]。
2015年5月16日,Rust 1.0.0发布[32]。
2020年3月27日,Rust核心团队成员Steve Klabnik在官方博客发表了一篇名为《Goodbye, docs team 》的文章,叙述了Rust文档的现状[33]。
2021年2月8日,AWS、华为、Google、微软以及Mozilla宣布成立Rust基金会[34][35]。
2022年9月19日,Linux初始开发者林纳斯·托瓦兹表示在Linux核心6.1版中会有对Rust的初步支持[36]。
生态系统
除了编译器和标准库,Rust生态系统还包括用于软件开发的额外组件。官方推荐使用Rustup,一个Rust工具链安装程序来管理这些组件。
Cargo
Cargo是Rust的软件包管理器,用来下载和构建依赖关系。Cargo还充当了Clippy和其他Rust组件的封装器。它要求项目遵循一定的目录结构。[37]
Cargo.toml文件指定了项目所需的依赖和版本要求,告诉Cargo哪些版本的依赖关系与该包兼容。Cargo默认从crates.io中获取依赖,但Git仓库和本地文件系统中的包也可以作为依赖。[38]
代码示例
下面的代码在Rust 1.3中测试通过。
Hello World
fn main() {
println!("Hello, World!");
}
如果不想使输出包含换行符(\n),可以使用print!
宏代替println!
宏。
阶乘
下面是三个不同版本的阶乘函数,分别以递归、循环和迭代器的方法写成:
// 這個函數的if-else語句中展示了Rust中可選的隱式返回值,可用於寫出更像函數式程式設計風格的代碼
// 與C++和其他類似的語言不同,Rust中的if-else結構不是語句而是運算式,有返回值
fn recursive_factorial(n: u32) -> u32 {
if n <= 1 {
1
} else {
n * recursive_factorial(n - 1)
}
}
fn iterative_factorial(n: u32) -> u32 {
// 變數用`let`定義,`mut`關鍵字使得變數可以變化
let mut i = 1u32;
let mut result = 1u32;
while i <= n {
result *= i;
i += 1;
}
result // 顯式返回值,與上一個函數不同
}
fn iterator_factorial(n: u32) -> u32 {
// 迭代器有多種用於變換的函數
// |accum, x| 定義了一個匿名函數
// 內聯展開等最佳化方法會消去區間和fold,使本函數的運行效率和上一個函數相近
(1..n + 1).fold(1, |accum, x| accum * x)
}
fn main() {
println!("Recursive result: {}", recursive_factorial(10));
println!("Iterative result: {}", iterative_factorial(10));
println!("Iterator result: {}", iterator_factorial(10));
}
并发计算
一个简单的Rust并发计算例子:
use std::thread;
// 這個函數將創建十個同時並行的執行緒
// 若要驗證這一點,可多次運行這個程式,觀察各執行緒輸出順序的隨機性
fn main() {
// 這個字串是不可變的,因此可以安全地同時被多個執行緒訪問
let greeting = "Hello";
let mut threads = Vec::new();
// `for`迴圈可用於任何實現了`iterator`特性的類型
for num in 0..10 {
threads.push(thread::spawn(move || {
// `println!`是一個可以靜態檢查格式字串類型的巨集
// Rust的巨集是基於結構的(如同Scheme)而不是基於文本的(如同C)
println!("{} from thread number {}", greeting, num);
}));
}
// 收集所有執行緒,保證它們在程式退出前全部結束
for thread in threads {
thread.join().unwrap();
}
}
参考资料
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Rust is not a particularly original language, with design elements coming from a wide range of sources. Some of these are listed below (including elements that have since been removed): SML, OCaml [...] C++ [...] ML Kit, Cyclone [...] Haskell [...] Newsqueak, Alef, Limbo [...] Erlang [...] Swift [...] Scheme [...] C# [...] Ruby [...] NIL, Hermes
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Papers that have had more or less influence on Rust, or which one might want to consult for inspiration or to understand Rust's background. [...] Region based memory management in Cyclone [...] Safe memory management in Cyclone
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The `if let` construct is based on the precedent set by Swift, which introduced its own `if let` statement.
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Sources of Inspiration: [...] Rust
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I just added the outline of a Result library that lets you use richer error messages. It's like Either except the names are more helpful. The names are inspired by Rust's Result library.
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They are inspired by linear types, Uniqueness Types in the Clean programming language, and ownership types and borrowed pointers in the Rust programming language.
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The Swift language is the product of tireless effort from a team of language experts, documentation gurus, compiler optimization ninjas, and an incredibly important internal dogfooding group who provided feedback to help refine and battle-test ideas. Of course, it also greatly benefited from the experiences hard-won by many other languages in the field, drawing ideas from Objective-C, Rust, Haskell, Ruby, Python, C#, CLU, and far too many others to list.
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After that last change fixing the logging scope context bug, looks like stage1/rustc builds. Just shy of midnight :)
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GH:在其他编程语言中有很多好的、讨人喜爱的想法,没有被广泛采用的系统编程语言采纳...在1970和80年代时,有些相当不错的竞争者同时存在,我想要把它们所有的某些特性再拿出来,因为现况已经改变:互联网是并发性非常强的系统,也更加重视安全性,所以以往独钟C以及C++的优势不再成立。
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...想要维持和C一样快又同时保证安全是不可能的...C++在设计上允许各种低层操作,大部分与回避类型系统有关,借此C++有了几乎无限制的优化能力。不过在实际上,C++工程师在自己的代碼中只使用某些特定的工具或技巧,例如透过pass by alias传递stack变量、独特拥有的对象(通常是
auto_ptr
或C++0x的unique_ptr
)、使用shared_ptr
来达成“引用计数”、COM等等。Rust的类型系统的设计目标之一,就是在语言中融入这些安全性设计,并且强迫实行这些原则。这样的话,性能可以与C++比较,又能同时保持存储器安全... - ^ Rosenblatt, Seth. Samsung joins Mozilla's quest for Rust. 2013-04-03 [2013-04-05]. (原始内容存档于2013-04-04).
[Brendan Eich]提出,每一年,浏览器都会在Pwn2Own竞赛上发现新的漏洞。他说,Rust“不允许自由读取存储器”,但C++则可以。这些便是“导致浏览器弱点”,也是能够自编译的Rust要解决的问题。
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...当然,为了更大程度的存储器分享,用户可以实现更复杂的数据结构,并同时保持接口只由被拥有和被管理的引用所组成。如此便解决了竞争访问和悬空指针的问题。
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参阅
- Servo
外部链接
- 官方网站(页面存档备份,存于互联网档案馆)(简体中文(页面存档备份,存于互联网档案馆)、繁体中文(页面存档备份,存于互联网档案馆))
- The Rust-dev Archives(页面存档备份,存于互联网档案馆)(邮件列表)
- Rust主源代码库及缺陷跟踪系统(页面存档备份,存于互联网档案馆)于Github
- Rust语言Wiki(页面存档备份,存于互联网档案馆)于Github
- Rust教学(页面存档备份,存于互联网档案馆)