Rust安全、并发和高性能的系统编程语言,带来哪些利好

2023-08-0809:20:09编程语言入门到精通Comments1,098 views字数 4223阅读模式

Rust安全、并发和高性能的系统编程语言,带来哪些利好文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

Rust是一门现代化的系统编程语言(C语言也是一门系统编程语言),它在安全性(并发安全)、并发性和性能方面有着出色的表现,支持函数式和命令式以及泛型等编程范式的多范式语言。Rust在语法上和C++类似,设计者想要在保证性能的同时提供更好的内存安全。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

同时,Rust 语言是一种高效、可靠的通用高级语言。其高效不仅限于开发效率,它的执行效率也是令人称赞的,是一种少有的兼顾开发效率和执行效率的语言。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

Rust最初是由Mozilla研究院的Graydon Hoare设计创造,然后在Dave Herman, Brendan Eich以及很多其他人的贡献下逐步完善的,自2010年发布以来,逐渐受到了开发者的关注和喜爱。Rust的设计者们通过在研发Servo网站浏览器布局引擎过程中积累的经验优化了Rust语言和Rust编译器。Rust编译器是在MIT License  Apache License 2.0双重协议声明下的免费开源软件。截至目前( 20238)最新的编译器版本是 1.71.0Rust安全、并发和高性能的系统编程语言,带来哪些利好文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

在前面我总结了下关于CC++的版本和关键字的使用介绍,其他C/C++方面的内容可以关注公众号CTO Plus后面的文章。本篇我将介绍一下关于Rust产生的目的和主要的功能,以及Rust有哪些独特的特点和特性优势,最后分析了下Rust的应用场景以及优缺点来分析Rust文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust产生的目的文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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创建这个新语言的目的是为了解决一个顽疾:软件的演进速度大大低于硬件的演进,软件在语言级别上无法真正利用多核计算带来的性能提升。Rust是针对多核体系提出的语言,并且吸收一些其他动态语言的重要特性,比如不需要管理内存,比如不会出现Null指针等等。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust主要功能文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust致力于成为优雅解决高并发和高安全性系统问题的编程语言,适用于大型场景,即创造维护能够保持大型系统完整的边界。这就导致了它强调安全,内存布局控制和并发的特点。标准Rust性能与标准C++性能不相上下。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust的特点和特性
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首先,Rust注重安全性。Rust的设计目标之一就是提供内存安全的编程环境,避免了常见的内存错误,比如空指针引用、缓冲区溢出等。Rust使用了一种称为所有权系统的机制,通过编译时的借用检查和所有权规则,确保了内存的安全性。这使得Rust成为一种非常适合开发高可靠性和安全性要求的系统软件的语言。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust还具备出色的并发性。Rust的并发模型基于所有权系统,可以在编译时检查并发访问的安全性。Rust提供了轻量级的线程(称为任务)和消息传递机制,使得并发编程变得简单而安全。开发者可以使用Rust的并发库和原语来编写高效、安全的并发代码,充分利用现代多核处理器的性能。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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当然Rust的特点和特性,总结包括如下:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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1. 生产力

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Rust 拥有出色的文档、友好的编译器和清晰的错误提示信息, 还集成了一流的工具 —— 包管理器和构建工具, 智能地自动补全和类型检验的多编辑器支持, 以及自动格式化代码等等。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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2. 零成本抽象

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Rust提供了高级抽象机制,如trait和泛型,使得开发者能够编写更加灵活和可复用的代码,而不会带来性能损失。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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3. 并发安全

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Rust的并发模型基于所有权借用概念,通过编译时的规则来保证线程安全,使得编写并发代码变得容易和安全。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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4. 高性能

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Rust的编译器能够生成高效的机器码,使得Rust在性能上可以与C/C++媲美。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust 速度惊人且内存利用率极高。由于没有运行时和垃圾回收,它能够胜任对性能要求特别高的服务,可以在嵌入式设备上运行,还能轻松和其他语言集成。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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具备出色的性能。Rust通过在编译时进行严格的类型检查和内存管理,消除了运行时的开销和垃圾回收的负担。同时,Rust还提供了一系列的优化特性和工具,如零成本抽象、内联汇编等,使得开发者能够更好地控制和优化代码的性能。这使得Rust成为一种非常适合开发高性能系统软件的语言。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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5. 跨平台

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Rust具有良好的跨平台支持,可以在多种操作系统和硬件平台上运行,包括WindowsLinuxmacOS等,使我们开发者能够轻松地编写跨平台的代码。Rust还拥有一个活跃的社区和丰富的生态系统,有许多优秀的开源库和工具可供开发者使用。此外,Rust的语法简洁而富有表达力,使得代码易于编写和理解。后面我将在公众号CTO Plus上一一介绍。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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6. 语言语法

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Rust的具体语法和CC++类似,都是由花括号限定代码块,还有一样的控制流关键字,例如if,else,while,for。然而也并非所有的C或者C++关键字被实现了。某些Rust函数(比如关键字match用于模式匹配)对于那些精通这些语言的人就没那么熟悉了。尽管与C/C++极其相似,Rust在深层语法上跟元语言家族的语言像是Haskell更接近。基本上一个函数体的每个部分都是表达式,甚至是控制流操作符。例如,那个普通的if表达式也取代了C的三元表达式。一个函数不需要以return表达式结束,在这种情况下函数最后的表达式就是返回值。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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7. 内存安全

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Rust语言系统设计于保证内存安全,它的所有权系统和生命周期概念确保了内存的安全性,它在安全代码里不允许空指针,悬垂指针和数据竞争错误。数值只能用一系列固定形式来初始化,要求所有输入已经被初始化。在其它语言中复制函数指针或者有效或者为空,比如在链表和二叉树等数据结构中,Rust核心库提供Option类型,用来测试指针是否有值。Rust同时引入添加语法来管理生命周期,而且编译器通过租借检查器来说明相关理由。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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8. 内存管理

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Rust不像GoJava以及.NET Framework那样使用自动垃圾回收系统。不同的是Rust通过RAII来管理内存和资源,还可选引用计数。Rust以低开销提供资源确定性管理。Rust也支持值的栈分配并不表现暗箱。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust里也有引用概念(用&符号),不包含运行时引用计数。使得此类指针的安全性已获得租用检查器的编译时验证,阻止悬垂指针和其它形式的未定义行为。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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9. 所有权

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在可靠性上,Rust 丰富的类型系统和所有权模型保证了内存安全和线程安全,让我们在编译期就能够消除各种各样的错误。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust有一个所有权系统,所有的值都有一个唯一的属主,值的有效范围跟属主的有效范围一样。值可以通过不可变引用&T传递,可变引用&mut T传递,T值递。在任何时候,或者有多个不可变引用,或者只有一个可变引用。Rust编译器在编译时执行这些规则同时检查所有引用的有效性。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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10. 类型多态

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Rust的类型系统支持一种类似类型类的机制,叫“traits”,是被Haskell激发灵感的。这是一种用于特定同质法的设施,通过给类型变量声明添加约束来实现。其它来自Haskell的特性,如更高类型多态还没有支持。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust为以let关键字声明的变量而产生类型推导特性。这样的变量不需要赋初值来判断类型。如果某个分支代码没能给变量赋初值将会产生一个编译时错误。对变量进行多次赋值要使用mut关键字标记。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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函数可以接收泛型参数,但通常要求泛型实现某种特性或者几种特性。在这种函数里面,这种泛型值只能通过这些特性来使用。这就是说一个泛型函数在定义的时候就能完成类型检查。这是对标C++模板,那种本质鸭式,只能在以具体类型实例化后完成检查。C++概念解决同样的问题,并且有希望能成为C++20标准的一部分。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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然而,Rust泛型的实现与C++模板的典型实现类似:每次实例化都会生成一份单独的代码这被称作单态,和经常在JavaHaskell中使用的类型擦除方案类比。单态的好处是为每一个具体用例提供优化代码,缺点是增长了运行时和很多结果文件。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust里面的对象系统是基于实现,特性和结构化类型的。实现扮演的角色跟其它语言中的类相似,以关键字impl来定义。继承和多态是由特性提供;它们允许方法被定义或者混合在实现里面。结构类型用于定义字段。实现和特性自己无法定义字段,而且只有特性能够提供继承。至于其它好处,这个阻止了多继承中的菱形继承问题,像C++一样。换句话说,Rust支持接口继承,但是通过复合替代实现继承;参见继承复合。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust的应用场景
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Rust 语言可以用于开发:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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  • 系统编程 - Rust的内存安全和高性能使得它成为系统级编程的理想选择,特别是在需要处理底层硬件和高性能计算的场景下。
  • 命令行程序 - Rust 编译器可以直接生成目标可执行程序,不需要任何解释程序。
  • Web应用 - Rust 可以被编译成 WebAssemblyWebAssembly 是一种 JavaScript 的高效替代品。Rust的并发性和安全性使得它在Web开发中也有一席之地。例如,Rust的框架Rocket可以用于构建高性能的Web应用程序。
  • 网络编程 - Rust 用极低的资源消耗做到安全高效,且具备很强的大规模并发处理能力,十分适合开发普通或极端的服务器程序。例如,Rust的库Tokio可以用于构建高性能的异步网络应用程序。
  • 嵌入式系统 - Rust 同时具有JavaScript 一般的高效开发语法和 C 语言的执行效率,支持底层平台的开发。Rust的内存安全和低资源消耗使得它在嵌入式系统开发中具有优势,特别是对于需要高度可靠性和安全性的应用。

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关于更多其他的库和框架参考公众号CTO Plus后面的文章:《Rust进阶27. Rust的生态系统和常用库介绍》文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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Rust的优缺点分析

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最后我来分析下Rust的优缺点文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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优点:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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1. 内存安全和并发安全:Rust的所有权系统和生命周期概念确保了内存和并发的安全性,避免了常见的错误。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

2. 高性能:Rust的编译器能够生成高效的机器码,使得Rust在性能上可以与C/C++媲美。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

3. 跨平台:Rust支持多种平台,使得开发者能够轻松地编写跨平台的代码。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

4. 强大的抽象机制:Rust提供了高级抽象机制,使得开发者能够编写更加灵活和可复用的代码。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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缺点:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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1. 学习曲线较陡:Rust的所有权系统和生命周期概念对于初学者来说可能有一定的学习难度。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

2. 相对于其他流行的编程语言,Rust的生态系统相对较小,可能会导致缺乏一些成熟的库和工具。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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希望本文能够帮助你了解Rust的特点和特性、应用场景以及优缺点,让你明白下Rust能为你带来什么和可帮你解决什么问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/52956.html

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