Rust
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编程范型 | 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 |
发行时间 | 2010年 |
当前版本 |
|
型態系統 | 靜態類型、強型別、 類型推論、結構類型 |
操作系统 | Linux、macOS、Windows FreeBSD、Android、iOS等[2] |
許可證 | Apache许可证2.0及MIT許可證[3] |
文件扩展名 | .rs、.rlib |
網站 | rust-lang.org |
啟發語言 | |
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] | |
影響語言 | |
C# 7[7]、Elm[8]、Idris[9]、Swift[10]、Carbon |
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、並行式、过程式以及面向对象的程式設計风格。
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,並且相當歡迎社区的回饋。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区的貢獻者[20]。
設計
[编辑]Rust的設計目標之一,是要使設計大型的網際網路客户端和伺服器的任務變得更容易[21]。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。
性能
[编辑]在效能上,具有額外安全保證的代碼會比C++慢一些,例如Rust对数组进行操作时会進行边界检查(尽管可以通过一些方式[22]绕过[23]),而C++则不会,但是如果等價的C++代碼作手工检查,則兩者效能上是相似的[24]。
编译报错
[编辑]比起C/C++,Rust编译器的对于代码中错误的提示更清晰明瞭,开发者可根据提示轻松地修复代码中的错误。
編譯速度
[编辑]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++。
语法
[编辑]Rust的語法設計,與C語言和C++相當相似,區塊(block)使用大括號隔開,控制流程的關鍵字如if
、else
、while
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
[编辑]為了提供内存安全,它的設計不允許空指標和懸空指標[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,甚至是用了智能指针功能之後會發生的型別錯誤。
所有权
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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[30]。函數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声明它們的型別,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。繼承和多型則通过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
[编辑]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[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、華為、Google、微軟以及Mozilla宣布成立Rust基金會[34][35],并承诺在两年时间里每年投入不少于 100 万美元的预算,以用于 Rust 项目的开发、维护和推广[36]。
2022年9月19日,Linux初始開發者林纳斯·托瓦兹表示在Linux核心6.1版中會有對Rust的初步支援[37]。
2023年4月6日,Rust基金会发布了新商标政策草案,修订了关于如何使用Rust标志和名称的规则,导致了Rust用户社区的负面反应和抗议。[38]
生态系统
[编辑]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
[编辑]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。[39]
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。[40]
集成开发环境支持
[编辑]rust-analyzer 是一系列工具,可以通过语言服务器协议为集成开发环境(IDE)和文本编辑器提供有关某一Rust项目的信息。利用它,开发者可以在编辑Rust代码时使用自动完成和编译错误显示等功能。[41]
代码示例
[编辑]下面的代码在Rust 1.3中测试通过。
Hello World
[编辑]fn main() {
println!("Hello, World!");
}
如果不想使输出包含换行符(\n),可以使用print!
巨集代替println!
巨集。
階乘
[编辑]下面是三個不同版本的階乘函數,分別以遞迴、迴圈和迭代器的方法寫成:
// 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));
}
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
[编辑]- ^ Announcing Rust 1.80.1. 2024年8月8日 [2024年8月8日] (英語).
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- ^ Note Research: Type System. 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
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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
- ^ Command Optimizations?. 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.
- ^ Uniqueness Types. 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.
- ^ Lattner, Chris. Chris Lattner's Homepage. Chris Lattner. 2014-06-03 [2014-06-03]. (原始内容存档于2018-12-25).
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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At Mozilla Summit 2010, we launched Rust, a new programming language motivated by safety and concurrency for parallel hardware, the “manycore” future which is upon us.
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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:在其他程式語言中有很多好的、討人喜愛的想法,沒有被廣泛採用的系統程式語言採納...在1970和80年代時,有些相當不錯的競爭者同時存在,我想要把它們所有的某些特性再拿出來,因為現況已經改變:網際網路是併發性非常強的系統,也更加重視安全性,所以以往獨鍾C以及C++的優勢不再成立。
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...想要維持和C一樣快又同時保證安全是不可能的...C++在設計上允許各種低層操作,大部分與迴避型態系統有關,藉此C++有了幾乎無限制的最佳化能力。不過在實際上,C++工程師在自己的程式碼中只使用某些特定的工具或技巧,例如透過pass by alias傳遞stack變數、獨特擁有的物件(通常是
auto_ptr
或C++0x的unique_ptr
)、使用shared_ptr
來達成「引用計數」、COM等等。Rust的型態系統的設計目標之一,就是在語言中融入這些安全性設計,並且強迫實行這些原則。這樣的話,效能可以與C++比較,又能同時保持記憶體安全... - ^ 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,瀏覽器都會在Pwn2Own競賽上發現新的漏洞。他說,Rust「不允許自由讀取記憶體」,但C++則可以。這些便是「導致瀏覽器弱點」,也是能夠自編譯的Rust要解決的問題。
- ^ Brown, Neil. A taste of Rust. 2013-04-17 [2013-04-25]. (原始内容存档于2013-04-26).
...當然,為了更大程度的記憶體分享,使用者可以實作更複雜的資料結構,並同時保持介面只由被擁有和被管理的參照所組成。如此便解決了競爭存取和懸空指標的問題。
- ^ Language FAQ. 2015-05-17 [2015-05-17]. (原始内容存档于2015-05-15).
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参閱
[编辑]外部链接
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