Rust

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Rust
編程範型編譯語言並行計算
函數式指令式
物件導向結構化
設計者Graydon Hoare
實作者Mozilla
面市時間2010年
目前版本
  • 1.78.0 (2024年5月2日;穩定版本)[1]
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型態系統靜態類型強型別
類型推論結構類型英語Structural type system
作業系統LinuxmacOSWindows
FreeBSDAndroidiOS[2]
授權條款Apache授權條款2.0及MIT授權條款[3]
副檔名.rs、.rlib
網站rust-lang.org
啟發語言
Alef英語Alef (programming language)[4]C#[4]C++[4]Cyclone英語Cyclone (programming language)[4][5]
Erlang[4]Haskell[4]Hermes英語Hermes (programming language)[4]Limbo[4]
Newsqueak[4]NIL英語NIL (programming language)[4]OCaml[4]Ruby[4]
Scheme[4]Standard ML[4]Swift[4][6]
影響語言
C# 7[7]Elm[8]Idris[9]Swift[10]Carbon

Rust是由Mozilla[11]主導開發的通用編譯型程式語言。設計準則為「安全、並行、實用」[12][13],支援函數式並行式程序式以及物件導向的程式設計風格。

Rust語言原本是Mozilla員工Graydon Hoare的個人專案,而Mozilla於2009年開始贊助這個專案 [14],並且在2010年首次公開[15]。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,進行自我編譯工作,稱做「rustc」[16],並於2011年實際完成[17]。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[18]。Rust 1.0是第一個穩定版本,於2015年5月15日釋出[19]

Rust在完全公開的情況下開發,並且相當歡迎社群的回饋。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。它雖然由Mozilla資助,但其實是一個共有專案,有很大部分的程式碼是來自於社群的貢獻者[20]

設計[編輯]

Rust的設計目標之一,是要使設計大型的網際網路客戶端伺服器的任務變得更容易[21]。因此更加強調安全性、記憶體組態、以及並行處理等方面的特性。

效能[編輯]

在效能上,具有額外安全保證的代碼會比C++慢一些,例如Rust對陣列進行操作時會進行邊界檢查(儘管可以通過一些方式[22]繞過[23]),而C++則不會,但是如果等價的C++代碼作手工檢查,則兩者效能上是相似的[24]

編譯報錯[編輯]

比起C/C++,Rust編譯器的對於程式碼中錯誤的提示更清晰明瞭,開發者可根據提示輕鬆地修復程式碼中的錯誤。

編譯速度[編輯]

由於其編譯器會做出額外的安全檢查,Rust的編譯速度有時低於C/C++。

語法[編輯]

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,控制流程的關鍵字如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。

主記憶體安全[編輯]

為了提供主記憶體安全,它的設計不允許空指標懸空指標[25][26]。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[27]。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,甚至是用了智慧型指標功能之後會發生的型別錯誤。

所有權[編輯]

Rust設計了一個所有權系統,其中所有值都有一個唯一的所有者,並且值的作用域與所有者的作用域相同。值可以通過不可變參照(&T)、可變參照(&mut T)或者通過值本身(T)傳遞。任何時候,一個變數都可以有多個不可變參照或一個可變參照,這實際上是一個顯式的讀寫鎖。Rust編譯器在編譯時強制執行這些規則,並檢查所有參照是否有效。[28][29]

主記憶體管理[編輯]

早期的Rust雖然有垃圾回收系統,但非如Java.NET平台的全自動垃圾回收。Rust 1.0已不再使用垃圾回收器,而是全面改用基於參照計數的智慧型指標來管理主記憶體。

類型與多型[編輯]

它的型別系統直接地模仿了Haskell語言的類型類概念,並把它稱作「traits」,可以把它看成是一種特設多型。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[30]。函式可以使用泛型化參數(generics),但是必須綁定Trait。不能使用方法或運算子而不宣告它們的型別,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)。

歷史[編輯]

2006年,Rust作為Graydon Hoare的個人專案首次出現。

2009年,Graydon Hoare成為Mozilla雇員[14]

2010年,Rust首次作為Mozilla官方專案出現[15]。同年,Rust開始從初始編譯(由OCaml寫成)轉變為自編譯[16]

2011年,Rust成功的完成了移植[17]。Rust的自編譯器採用LLVM作為其編譯後端。

2012年1月20日,第一個有版本號的預覽版Rust編譯器釋出[18]

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,此引擎將由Rust來實作[31]

2015年5月16日,Rust 1.0.0釋出[32]

2020年3月27日,Rust核心團隊成員Steve Klabnik在官方部落格發表了一篇名為《Goodbye, docs team 》的文章,敘述了Rust文件的現狀[33]

2021年2月8日,AWS華為Google微軟以及Mozilla宣布成立Rust基金會[34][35],並承諾在兩年時間裡每年投入不少於 100 萬美元的預算,以用於 Rust 專案的開發、維護和推廣[36]

2022年9月19日,Linux初始開發者林納斯·托瓦茲表示在Linux核心6.1版中會有對Rust的初步支援[37]

2023年4月6日,Rust基金會釋出了新商標政策草案,修訂了關於如何使用Rust標誌和名稱的規則,導致了Rust使用者社群的負面反應和抗議。[38]

生態系統[編輯]

除了編譯器和標準庫,Rust生態系統還包括用於軟體開發的額外組件。官方推薦使用Rustup,一個Rust工具鏈安裝程式來管理這些組件。

Cargo[編輯]

Cargo是Rust的軟體套件管理器,用來下載和構建依賴關係。Cargo還充當了Clippy和其他Rust組件的封裝器。它要求專案遵循一定的目錄結構。[39]

Cargo.toml檔案指定了專案所需的依賴和版本要求,告訴Cargo哪些版本的依賴關係與該包相容。Cargo預設從crates.io中取得依賴,但Git倉庫和本地檔案系統中的包也可以作為依賴。[40]

程式碼範例[編輯]

下面的程式碼在Rust 1.3中測試通過。

Hello World[編輯]

fn main() {
    println!("Hello, World!");
}

如果不想使輸出包含換行符(\n),可以使用print!巨集代替println!巨集。

階乘[編輯]

下面是三個不同版本的階乘函式,分別以遞迴迴圈迭代器的方法寫成:

// 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 {
    // 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));
}

並行計算[編輯]

一個簡單的Rust並行計算例子:

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();
    }
}

參考資料[編輯]

  1. ^ Announcing Rust 1.78.0. 2024年5月2日 [2024年5月2日] (英語). 
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  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 The Rust Reference: Appendix: Influences. [2015-03-25]. (原始內容存檔於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 
  5. ^ Note Research: Type System. 2015-02-01 [2015-03-25]. (原始內容存檔於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 
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  7. ^ Discussion - Patterns and Records. 2015-03-25 [2015-03-25]. (原始內容存檔於2015-08-19). Sources of Inspiration: [...] Rust 
  8. ^ Command Optimizations?. 2014-06-26 [2014-12-10]. (原始內容存檔於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. 
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參閱[編輯]

外部連結[編輯]