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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]支持函数式並行式程序式以及面向对象的编程风格。

Rust
Rust programming language black logo.svg
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
穩定版本
1.39.0[1]
( 2019年11月7日,​3天前​(2019-11-07
型態系統 靜態類型強型別
類型推論結構類型英语Structural type system
作業系統 LinuxmacOSWindows
FreeBSDAndroidiOS[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英语Alef (programming language)[4]C#[4]C++[4]Cyclone英语Cyclone (programming language)[4][5]
Erlang[4]Haskell[4]Hermes英语Hermes (programming language)[4]Limbo[4]
Newsqueak[4]NIL英语NIL (programming language)[4]OCaml[4]Ruby[4]
Scheme[4]Standard ML[4]Swift[4][6]
影響語言
C# 7[7]Elm英语Elm (programming language)[8]Idris[9]Swift[10]

Rust語言原本是Mozilla員工Graydon Hoare的私人計畫,而Mozilla於2009年開始贊助這個計畫[14],並且在2010年首次揭露了它的存在[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bootstrapping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。[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。

Rust的性能编辑

在效能上,具有額外安全保證的代碼會比C++慢一些,例如对Rust的数组进行操作时默认会检查索引是否越界[22],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[23]

语法编辑

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,如用於模式符合(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。

内存安全编辑

為了提供記憶體安全,它的設計不允許空指標懸空指標[24][25]。 資料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[26]。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type class概念,並把它稱作「traits」,可以把它看成是一種ad hoc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[27]。 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[28]

2015年5月16日,Rust 1.0.0发布[29]

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!");
}

阶乘编辑

下面是三个不同版本的阶乘函数,分别以递归循环迭代器的方法写成:

// 这个函数的if-else语句中展示了Rust中可选的隐式返回值,可用于写出更像函数式编程风格的代码
// 与C++和其他类似的语言不同,Rust中的if-else结构不是语句而是表达式,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 {
    // 变量用`let`定义,`mut`关键字使得变量可以变化
    let mut i = 1u32;
    let mut result = 1u32;
    while i <= n {
        result *= i;
        i += 1;
    }
    result // 显式返回值,与上一个函数不同
}

fn iterator_factorial(n: u32) -> u32 {
    // 迭代器有多种用于变换的函数
    // |accum, x| 定义了一个匿名函数
    // 内联展开等优化方法会消去区间和fold,使本函数的运行效率和上一个函数相近
    (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));
}

并发编辑

一个简单的Rust并发示例:

use std::thread;

// 这个函数将创建十个同时并发运行的线程
// 若要验证这一点,可多次运行这个程序,观察各线程输出顺序的随机性
fn main() {
    // 这个字符串是不可变的,因此可以安全地同时被多个线程访问
    let greeting = "Hello";

    let mut threads = Vec::new();
    // `for`循环可用于任何实现了`iterator`特性的类型
    for num in 0..10 {
        threads.push(thread::spawn(move || {
            // `println!`是一个可以静态检查格式字符串类型的宏
            // Rust的宏是基于结构的(如同Scheme)而不是基于文本的(如同C)
            println!("{} from thread number {}", greeting, num);
        }));
    }

    // 收集所有线程,保证它们在程序退出前全部结束
    for thread in threads {
        thread.join().unwrap();
    }
}

參考資料编辑

  1. ^ The Rust Core Team. Announcing Rust 1.39.0. 2019-11-07 [2019-11-07]. 
  2. ^ Rust Platform Support. 
  3. ^ COPYRIGHT. Rust compiler source repository. [2012-12-17]. 
  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]. 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]. 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 
  6. ^ RFC for `if let` expression. [2014-12-04]. The `if let` construct is based on the precedent set by Swift, which introduced its own `if let` statement. 
  7. ^ Discussion - Patterns and Records. 2015-03-25 [2015-03-25]. Sources of Inspiration: [...] Rust 
  8. ^ Command Optimizations?. 2014-06-26 [2014-12-10]. 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. 
  9. ^ Uniqueness Types. 2014-08-22 [2014-10-27]. (原始内容存档于2014年12月25日). They are inspired by linear types, Uniqueness Types in the Clean programming language, and ownership types and borrowed pointers in the Rust programming language. 
  10. ^ Lattner, Chris. Chris Lattner's Homepage. Chris Lattner. 2014-06-03 [2014-06-03]. 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. 
  11. ^ Noel. The Rust Language. Lambda the Ultimate. 2010-07-08 [2010-10-30]. 
  12. ^ The Rust Programming Language. [2012-10-21]. 
  13. ^ Doc language FAQ. [2012-10-21]. 
  14. ^ 14.0 14.1 Project FAQ. 2010-09-14 [2012-01-11]. 
  15. ^ 15.0 15.1 Future Tense. 2011-04-29 [2012-02-06]. 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. 
  16. ^ 16.0 16.1 Hoare, Graydon. Rust Progress. 2010-10-02 [2010-10-30]. (原始内容存档于2014-08-15). 
  17. ^ 17.0 17.1 Hoare, Graydon. [rust-dev] stage1/rustc builds. 2011-04-20 [2011-04-20]. After that last change fixing the logging scope context bug, looks like stage1/rustc builds. Just shy of midnight :) 
  18. ^ 18.0 18.1 catamorphism. Mozilla and the Rust community release Rust 0.1 (a strongly-typed systems programming language with a focus on memory safety and concurrency). 2012-01-20 [2012-02-06]. 
  19. ^ rust/RELEASES.md at master · rust-lang/rust · GitHub. GitHub. 
  20. ^ Rust Contributors. 
  21. ^ Avram, Abel. Interview on Rust, a Systems Programming Language Developed by Mozilla. InfoQ. 2012-08-03 [2013-08-17]. 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。 
  22. ^ 范, 范长春. 数组和字符串. 深入浅出Rust 2018年8月第一版. 北京: 机械工业出版社. 2018: 72-73. ISBN 9787111606420. OCLC 1097888310. 
  23. ^ Walton, Patrick. C++ Design Goals in the Context of Rust. 2010-12-05 [2011-01-21]. ...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... 
  24. ^ Rosenblatt, Seth. Samsung joins Mozilla's quest for Rust. 2013-04-03 [2013-04-05]. [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。 
  25. ^ Brown, Neil. A taste of Rust. 2013-04-17 [2013-04-25]. ...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。 
  26. ^ Language FAQ. 2015-05-17 [2015-05-17]. 
  27. ^ Walton, Patrick. Rust Features I: Type Inference. 2010-10-01 [2011-01-21]. 
  28. ^ Peter Bright. Samsung teams up with Mozilla to build browser engine for multicore machines. 2013-04-03 [2013-04-04]. 
  29. ^ The Rust Core Team. Announcing Rust 1.0. May 15, 2015 [2015-12-11]. 

外部链接编辑

参见编辑