Rust

Rust是由Mozilla[12]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”,[13][14]支持函数式並行式程序式以及面向对象的编程风格。

Rust
編譯語言並行计算
函数式指令式
物件導向结构化
設計者Graydon Hoare
實作者Mozilla
2010年
穩定版本
1.50.0[1][2](2021年2月11日,10天前)
型態系統靜態類型強型別
類型推論結構類型
作業系統LinuxmacOSWindows
FreeBSDAndroidiOS[3]
許可證Apache许可证2.0及MIT許可證[4]
文件扩展名.rs、.rlib
網站rust-lang.org
啟發語言
Alef[5]C#[5]C++[5]Cyclone[5][6]
Erlang[5]Haskell[5]Hermes[5]Limbo[5]
Newsqueak[5]NIL[5]OCaml[5]Ruby[5]
Scheme[5]Standard ML[5]Swift[5][7]
影響語言
C# 7[8]Elm[9]Idris[10]Swift[11]

Rust語言原本是Mozilla員工Graydon Hoare的私人計劃,而Mozilla於2009年開始贊助這個計劃 [15],並且在2010年首次公開[16]。也在同一年,其編譯器原始碼開始由原本的OCaml語言轉移到用Rust語言,進行bootstrapping工作,稱做「rustc」[17],並於2011年實際完成[18]。這個可自我編譯的編譯器在架構上採用了LLVM做為它的後端。

第一個有版本號的Rust編譯器於2012年1月釋出。[19]Rust 1.0是第一個穩定版本,於2015年5月15日釋出。[20]

Rust是在完全開放的情況下進行開發,並且相當歡迎社區的回饋。在1.0穩定版之前,語言設計也因為透過撰寫Servo網頁瀏覽器排版引擎和rustc編譯器本身,而有進一步的改善。雖然它由Mozilla資助,但它其實是一個共有專案,有很大部分的代碼是來自於社區的貢獻者。[21]

設計

Rust的設計目標之一,是要使設計大型的網際網路客户端伺服器的任務變得更容易[22]。因此更加強調安全性、記憶體配置、以及並行處理等方面的特性。

Rust的性能

在效能上,具有額外安全保證的代碼會比C++慢一些,例如对Rust的数组进行操作时默认会检查索引是否越界,尽管可以通过一些方式[23]绕过[24],而C++则不会,但是如果以C++也手工提供保證的情況下,則兩者效能上是相似的[25]

语法

Rust的語法設計,與C語言C++相當相似,區塊(block)使用大括號隔開,流程控制的關鍵字如ifelsewhile等等。在保持相似性的同時,Rust也加進了新的關鍵字,如用於模式匹配(pattern matching)的match(與switch相似)則是使用C/C++系統程式語言的人會相對陌生的概念。儘管在語法上相似,Rust的語義(semantic)和(C/C++)非常不同。

内存安全

為了提供記憶體安全,它的設計不允許空指標懸空指標[26] [27]。 指針只能透過固定的初始化形態來建構,而所有這些形態都要求它們的輸入已經分析過了[28]。Rust有一個檢查指標生命期間和指標凍結的系統,可以用來預防在C++中許多的型別錯誤,甚至是用了智慧指標功能之後會發生的型別錯誤。

内存管理

早期的Rust雖然有垃圾回收系統,但非如Java或.NET平台的全自動垃圾回收。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

它的型別系統直接地模仿了Haskell語言的类型类概念,並把它稱作「traits」,可以把它看成是一種特设多态。Rust的作法是透過在宣告型別變數(type variable)的時候,在上面加上限制條件。至於Haskell的高階型別變數(Higher-kinded polymorphism)則還未支援。

型別推導也是Rust提供的特性之一,使用let語法宣告的變數可以不用宣告型別,亦不需要初始值來推斷型別。但如果在稍後的程式中從未指派任何值到該變數,編譯器會發出編譯時(compile time)錯誤[29]。 函數可以使用泛型化參數(generics),但是必須綁定Trait。沒有任何方法可以使用方法或運算子,又不宣告它們的型別,每一項都必確明確定義。

Rust的物件系統是基於三樣東西之上的,即實作(implementation)、Trait以及結構化資料(如struct)。實作的角色類似提供Class關鍵字的程式語言所代表的意義,並使用impl關鍵字。繼承和多型則透過Trait實現,它們使得方法(method)可以在實作中被定義。結構化資料用來定義欄位。實作和(trait)都無法定義欄位,並且只有(trait)可以提供繼承,藉以躲避C++的「鑽石繼承問題」(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[15]

2010年,Rust首次作为Mozilla官方项目出现[16]。同年,Rust开始从初始编译(由OCaml写成)转变为自编译[17]

2011年,Rust成功的完成了移植[18]。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[19]

2013年4月4日,Mozilla基金會宣布將與三星集團合作開發瀏覽器排版引擎Servo,此引擎将由Rust來實作[30]

2015年5月16日,Rust 1.0.0发布[31]

2021年2月8日,AWS華為Google微軟以及Mozilla宣布成立Rust基金會[32][33]

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!");
}

階乘

下面是三個不同版本的階乘函數,分別以遞迴迴圈反覆運算器的方法寫成:

// 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 {
    // 反覆運算器有多種用於變換的函數
    // |accum, x| 定義了一個匿名函數
    // 內聯展開等優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));
}

併發

一個簡單的Rust併發示例:

use std::thread;

// 這個函數將創建十個同時併發運行的執行緒
// 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();
    }
}

參考資料

  1. . 2021年2月11日.
  2. . 2021年2月11日.
  3. . [2017-03-17]. (原始内容存档于2018-02-13).
  4. . Rust compiler source repository. [2012-12-17].
  5. . [2015-03-25]. (原始内容存档于2015-03-26). 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
  6. . 2015-02-01 [2015-03-25]. (原始内容存档于2019-02-17). 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
  7. . [2014-12-04]. (原始内容存档于2016-03-04). The `if let` construct is based on the precedent set by Swift, which introduced its own `if let` statement.
  8. . 2015-03-25 [2015-03-25]. (原始内容存档于2015-08-19). Sources of Inspiration: [...] Rust
  9. . 2014-06-26 [2014-12-10]. (原始内容存档于2019-07-08). 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.
  10. . 2014-08-22 [2014-10-27]. (原始内容存档于2014-12-25). 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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外部链接

参见

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