Rust: 重視記憶體安全性與並行處理的程式語言

Rust

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	1.77.2 (2024年4月9日；穩定版本)
型態系統	靜態類型、強型別、 類型推論、結構類型（英语：Structural type system）
操作系统	Linux、macOS、Windows FreeBSD、Android、iOS等
許可證	Apache许可证2.0及MIT許可證
文件扩展名	.rs、.rlib
網站	rust-lang.org
啟發語言
Alef（英语：Alef (programming language)）、C#、C++、Cyclone（英语：Cyclone (programming language)） Erlang、Haskell、Hermes（英语：Hermes (programming language)）、Limbo Newsqueak、NIL（英语：NIL (programming language)）、OCaml、Ruby Scheme、Standard ML、Swift
影響語言
C# 7、Elm、Idris、Swift、Carbon

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 ，並且在2010年首次公開。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」，並於2011年實際完成。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。Rust 1.0是第一個穩定版本，於2015年5月15日釋出。

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。

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。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

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绕过），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。

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瞭，开发者可根据提示轻松地修复代码中的错误。

編譯速度

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

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

為了提供内存安全，它的設計不允許空指標和懸空指標。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。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

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。

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。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）。

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。

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

2011年，Rust成功的完成了移植。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。

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。

2015年5月16日，Rust 1.0.0发布。

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。

2021年2月8日，AWS、華為、Google、微軟以及Mozilla宣布成立Rust基金會，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。

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。

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。

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。

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。

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!巨集代替println!巨集。

階乘

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)); } 

並行計算

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();     } } 

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