Rust (ohjelmointikieli)

**Rust** on ohjelmointikieli, jonka on kehittänyt Mozilla Foundation. Rust on suunniteltu suorituskykyiseksi järjestelmätason ohjelmointikieleksi, joka välttäisi tyypillisten C- tai C++-ohjelmien muistinhallintaan liittyvät virhetilat. Sen syntaksi muistuttaa C-kieltä, mutta muuten eroaa siitä ominaisuuksiltaan. Rust sisältää muun muassa nimiavaruudet, rinnakkainajon, sulkeumat ja tyypinpäättelyn.

Muista moderneista ohjelmointikielistä poiketen Rust toteuttaa muistinhallinnan turvallisuuden ajoajan sijaan kielen syntaksissa ja ohjelman kääntämisen aikana, mikä tarkoittaa lisää rajoituksia ohjelmoijalle, mutta enemmän nopeutta ohjelman ajoon, jotta tehossa ei hävittäisi perinteisille ohjelmointikielille. Lisäksi Rustissa on pyritty kehittämään turvallisuutta myös ohjelman säikeiden kilpailutilanteiden suhteen. Toisaalta Rust erottuu monista muista moderneista kielistä siten, että siinä on mahdollista myös halutessaan ohittaa turvallisuusmekanismit ja käyttää esimerkiksi osoitinmuuttujia vapaasti.

Rust on käännettävä kieli, joka tukee Unicode-merkistöä. Rustin käyttöön liittyen sen ohjelmointikielen kääntäjä ilmoittaa virheet tarkasti ja perusteellisesti verrattuna C- ja C++-kieliin, mikä helpottaa ohjelmointivirheiden korjaamista. Rustin kääntäjä myös jossain määrin tarjoutuu avustamaan virheiden korjaamisessa. Rust sisältää myös sisäänrakennetun valmiuden yksikkötestaamiselle.

## Ominaisuudet

Rust tarjoaa korkean abstraktiotason kielen ominaisuudet matalalla prosessointitasolla. Rustin päämäärinä ovat turvallisuus, nopeus ja rinnakkaisuus. Rustilla voidaan kirjoittaa käyttöjärjestelmiä, laiteajureita ja se voidaan sulauttaa toisiin ohjelmiin. Tärkeitä alueita rustille ovat myös pelikehitys ja webpalvelut.

### Muistinhallinta

Rust ratkaisee muistinhallinnan ongelmat käyttämällä datan omistajan, lainaamisen ja turvattoman (unsafe) käsitteitä. Tämä mahdollistaa automaattista roskienkeruutakin paremmat ominaisuudet: deterministisen muistivapautuksen, ei kilpailutilanteita (data race) ja iteroijien tarkistus (ei muokata ja viitata samanaikaisesti).

Rust-ohjelmien muistialue koostuu kahdesta alueesta: *[[pino]]* ja *[[keko (muistialue)|keko]]* (stack, heap) – aivan kuten C-kielessäkin. Pinossa olevat muuttujat omistaa joku keossa oleva *laatikko* (box). Laatikoiden omistamia muuttujia, *tavaroita* (items), voi vaihdella funktioiden kesken jos ne ovat muuttumattomia (static). Muuttuvien muuttujien (avainsana mut) jakaminen on mahdollista lainaamalla niitä funktioilta tai säikeiltä toisille (borrowing). Nämä ratkaisut mahdollistavat turvallisen rinnakkaisajon ja estävät segmentaatiovirheet, jotka C-kielessä johtuvat luvattomien muistialueiden käsittelystä.

Turvattoman (unsafe) muistihallinnan kautta rust-ohjelmat voivat kommunikoida toisten järjestelmäprosessien ja eri kielellä kirjoitettujen ohjelmien kanssa ilman ristiriitoja, ja tarvittaessa rikkoa omistukseen liittyviä sääntöjä.

Jokaisella arvolla on Rustissa yksi omistaja kullakin hetkellä. Kun omistaja katoaa näkyvistä, arvo pudotetaan pois. Kekomuistissa pidettyä tietoa ei koskaan kopioida ilman `clone()`-metodin käyttöä. Muuttujat eivät voi viitata samaan kekomuistissa olevaan tietoon; vain viimeisimpänä määritelty muuttuja on voimassa. Muuttujan sijoittaminen funktioon siirtää arvon omistajuuden funktiolle eli muuttuja katoaa näkyvistä. Jos omistajuutta ei haluta siirtää, käytetään muuttujan referenssiä (`&x`, `x: &Y`) eli lainataan. Referoimisen vastaoperaatio on dereferointi `*x`. Yhteen arvoon voi olla yhdessä näkymässä vain yksi muuntamisen salliva referenssi (`&mut x`). (Metodeissa Rust tekee automaattisen referoinnin ja dereferoinnin.) Tietorakenteiden kuten tietueiden arvojen on oltava voimassa yhtä kauan kuin koko kokoelmakin – tämä on mahdollista elinaikojen avulla.

Elinaikojen avulla referenssit ovat voimassa niin kauan kuin niitä tarvitaan. Elinaika määritellään tarvittaessa syntaksilla `&'a Tyyppi`, `fn nimi<'a>(x: &'a Tyyppi) -> &'a Tyyppi { ... }`, `struct Nimi<'a> { x: &'a Tyyppi, }` ja `impl<'a> Tyyppi<'a> { ... }`. Tätä tarvitaan, kun käytetään referenssejä eikä kääntäjällä ole tarpeeksi informaatiota varmistaa, että elinajat riittävät. `'static` tarkoittaa, että referenssi voi elää koko ohjelman ajon ajan. 

Tavallisten referenssien (osoittimien) lisäksi Rustissa voidaan käyttää älyosoittimia, joista tavallisimpia ovat standardikirjaston `Box<T>` (kekomuistiallokaatio), `Rc<T>` (referenssien laskentaan perustuva moniomistajuus) ja `RefCell<T>` (lainaussääntöjen ajonaikainen tarkistus).

### Moduulit

Rust-ohjelmat organisoidaan paketteihin, laatikoihin (engl. *crate*) ja moduuleihin. Paketti ei ole varsinaisesti Rustin vaan sen apuohjelman Cargon ominaisuus – paketti muodostuu useista laatikoista, joista yhden on oltava kirjasto. Laatikot ovat kirjastoja tai ajotiedostoja, jotka muodostuvat moduulipuusta. Rust-kääntäjälle kaikki lähdetiedostot ovat laatikoita, mutta yleensä laatikolla tarkoitetaan kirjastolaatikkoa (ei ajotiedostolaatikkoa). Moduulit ovat nimiavaruuksia, joiden avulla ohjelman alkioita ja niiden näkyvyyttä organisoidaan. Moduulin alkiot kuten funktiot (ja alimoduulit) nimetään moduulipolun mukaan tyylillä `laatikko::moduuli::funktio`. Alkiot ovat oletuksena yksityisiä eli käytettävissä vain oman moduulinsa sisällä. 

Moduuleja käytetään seuraavan syntaksin avulla:
* `mod x { ... }` määrittelee uuden moduulin
* `use laatikko::moduuli::moduuli as mdl;` tuo moduulin näkymään niin, ettei koko polkua ole tarpeen käyttää vaan `mdl::funktio` riittää
* `use laatikko::moduuli{self, moduuli::alkio, moduuli, alkio};` tuo näkymään neljä polkua samalla lauseella
* `pub` tekee moduuleista, alkioista tai kentistä käytettäviä moduulin ulkopuolella (julkistettava yksitellen)
* `pub use ...;` tekee siis näkymään tuodusta polusta julkisen 

### Rinnakkaisohjelmointi

Rinnakkaiseen ja asynkroniseen ohjelmointiin löytyy tukea erityisesti Rustin standardikirjastosta. Esimerkiksi `std::thread::spawn` ajaa annetun sulkeuman uudessa säikeessä ja palauttaa kahvan, jonka `join`-metodilla voidaan odottaa säikeen valmistumista. Referenssien elinaika on epäselvä asynkronisessa ajossa, joten annetun sulkeuman on omistettava ympäristöstään kaappaamansa arvot – tämä onnistuu syntaksilla `move || println!(x);`. Viestien välitys säikeiden välillä onnistuu standardikirjaston `std::sync::mpsc::channel`-funktion avulla. Myös muistin jakaminen säikeiden välillä onnistuu `std::sync::Mutex`- (lukko) ja `std::sync::Arc`-tietueen (moniomistajuus) avulla.

### Oliopohjainen ohjelmointi
Rustissa on vaikutteita olio-ohjelmoinnista, mutta se ei tue kaikkea olio-ohjelmoinnin määrittelyn mukaisia ominaisuuksia. Rust tukee tiedon ja toimintojen *paketointia* yhteen (*metodit* tai *operaatiot*), mutta se ei tue olio-ohjelmoinnin perintää. Määrittelystä riippuen Rust joko on tai ei ole olio-ohelmointia tukeva kieli.

Rustissa ei käytetä sanaa objekti tai olio, mutta tietueille ja luetteloille voidaan määritellä metodeja, mikä mahdollistaa olio-ohjelmoinnin kaltaisen ohjelmoinnin. Kapselointi onnistuu käyttämällä `pub`-avainsanaa niiden tietotyyppien ja metodien määritelmissä, jotka muodostavat kyseisen tietotyypin julkisen rajapinnan. Periminen ei ole mahdollista, mutta geneeriset tyypit ja piirteiden oletustoteutukset ja reunaehdot mahdollistavat vastaavia rakenteita. Näiden lisäksi abstraktimpi tapa on käyttää kokoelman tyyppinä Rustin piirreobjektia `<Box<dyn Piirre>>`, joka mahdollistaa erilaisten ja uusien tyyppien käsittelemisen samassa kokoelmassa ajon aikana – kunhan ne vain toteuttavat annetun piirteen (`dyn`-avainsana tulee sanasta dynaaminen). Tämä vastaa ankkatyypitystä – eli varsinaisella tyypillä ei ole väliä kunhan se toteuttaa tietyt metodit – mutta Rust-kääntäjä varmistaa jo käännösvaiheessa, että metodit ovat olemassa ennen niiden kutsumista. Tilaobjektimallin käyttö on mahdollista, mutta Rustissa on tyypillisempää esittää olioiden erilaiset tilat omina tyyppeinään, jolloin voidaan hyödyntää Rust-kääntäjän tyypintarkastusta.

### Funktionaalinen ohjelmointi

Sulkeumat ovat Rustin nimettömiä funktioita, jotka määritellään tyylillä `|x| println!("{}-{}", x, y);` ja voivat kaapata arvoja ympäristöstä, jossa ne on määritelty. Sulkeuma voidaan sijoittaa muuttujaan tai funktion argumentiksi arvojen tavoin. Jos sulkeuman tyyppejä ei merkitä, kääntäjä päättelee ja merkitsee ne ensin käytettyjen tyyppien mukaan. Sulkeuma voidaan myös palauttaa funktiosta, jos käytetään piirreobjektia `Box<dyn Fn(T) -> T>`. 

Iteraattorit ovat tyyppejä, jotka palauttavat jokaisella `next`-metodin kutsulla uuden arvon, kunnes kaikki arvot on kulutettu. Mikä tahansa tyyppi voi olla iteroitava, jos sille on määritelty `Iterator`-piirre (`Item`-tyyppi ja `next`-metodi riittävät). Kun iteraattoria muutetaan muodosta toiseen, `collect`-metodilla (tai muulla ns. kuluttavalla metodilla) voidaan lopuksi kuluttaa se, eli esim. palauttaa iteraattorista haluttu vektorityypin rakenne (`vektori.iter().map(sulkeuma).collect();`). 

Funktioita voidaan antaa argumentteina toisiin funktioihin, jotka on määritelty tyylillä `fn nimi(f: fn(T) -> T, x: T) -> T { f(x) }`.

Hahmonsovitus on Rustissa hyvin tavallista. Se onnistuu `match`-, `if let`-, `while let`-, `for`- ja `let`-lauseissa sekä funktioiden parametreissa. Hahmonsovitus mahdollistaa myös monikkojen, tietueiden ja luetteloiden destrukturoinnin tyylillä `let (x, y) = (1, 2)`. Alaviivalla `_` voidaan jättää osia hahmosta huomiotta ja `..`-syntaksilla voidaan jättää kokonainen arvoväli jostakin kokoelmasta huomiotta. 

### Metaohjelmointi

Makrot tuottavat koodia kääntämisvaiheessa ja toimivat kuin funktiot, mutta huomattavasti vapaammilla säännöillä. Deklaratiiviset makrot määritellään omalla syntaksillaan tyylillä `macro_rules! nimi { hahmo => koodi }` ja makro voi näin kaapata mitä tahansa tekstiä ja käyttää sitä tuottamaan mitä tahansa koodia. Proseduraaliset makrot ovat taas tavanomaisia Rust-funktioita, jotka manipuloivat saamansa Rust-koodin abstraktia syntaksipuuta. Makroja kutsutaan funktioiden tapaan tyylillä `makro!...` tai attribuutteina tyylillä `#[makro(...)]` ja `#[derive(makro)]`.

Yleisiä makroja ovat
* `println!`, joka kirjoittaa standarditulosteeseen
* `eprintln!`, joka kirjoittaa standardivirheeseen
* `dgb!`, joka kirjoittaa standardivirheeseen käyttämällä `Debug`-piirteen määrittelemää formaattia
* `assert_eq!`, joka varmistaa yhtäläisyyden
* `format!`, joka liittää muuttujien saamat arvot tekstiliteraaliin
* `panic!`, joka pysäyttää ohjelman virheeseen

### Virheidenhallinta

Rustissa käsitellään virheitä yleensä luettelon `enum Result<T, E> { Ok(T), Err(E), }` ja hahmonsovituksen `match` avulla. `Result`-arvon voi käsitellä erityisen lyhyesti `?`-operaattorin avulla tyylillä `moduuli::funktio()?`, jolloin tilanteessa `Ok(arvo)` lauseke palauttaa suoraan `arvo`. `?`-operaattori on käytettävissä vain funktioissa, jotka palauttavat `Result`- tai vastaavan tyypin arvon. Toinen tavallinen tapa on käyttää `Result`-arvon `unwrap_or_else`-metodia, joka palauttaa arvon tai ajaa annetun sulkeuma. `expect`-metodi taas kutsuu virhetilanteessa suoraan `panic!`-makron, mikä on hyödyllistä ohjelman kehityksen alkuvaiheessa.

### Tietotyypit

Tietotyyppejä Rustissa ovat muun muassa
* Kokonaisluvut muotoa `i32` (oletus), `isize`, `u64` ja literaalit `5`, `10_000`, `0b1010_0011`
* Liukuluku `f32` ja `f64` ja literaalit esim. `2.` ja `-24.55`
* Boolen tyyppi ja literaalit `true` ja `false`
* Merkki `char` ja literaalit `'t'` (ei `"`)
* Monikko esim. `(1, 2.0, 'c')` (`(i32, f32, char)`)
* Taulukko esim. `[1, 2, 3]` (`[i32; 3]`), millä on vakiopituus
* Teksti `String` (muunnettava) ja literaalit `"Hei, Wikipedia!"` (muuttumaton)
* Viipale `&x[0..5]` (`"Hei, Wikipedia!"` on myös viipale tyyppiä `&str`)
* Tietue `struct Nimi { nimi: String }`, josta luodaan instanssi tyylillä `Nimi { nimi: String::from("Arvo"), };`
* Monikkotietue `struct Nimi(i32, String);`, jonka kenttiä ei nimetä
* Yksikkötietue `struct Nimi;`, jolla ei ole kenttiä
* Luettelo `enum Nimi { Variantti1(u8), Variantti(String, i32), }`, josta voidaan tehdä instansseja tyylillä `let x = Nimi::Variantti1(8);`. Rustissa ei ole `null`-arvoa vaan puuttuvaa arvoa edustamaan käytetään tyyppiä `enum Option<T> { None, Some(T), }`.
* Vektori `Vec<T>`, joka sisältää vaihtelevan pituisen, samaa tyyppiä olevan arvojonon. Instanssi voidaan luoda makrolla `vec![1, 2, 3]`.
* Hajautustaulu `std::collections::HashMap`
* Piirreobjektit `Box<dyn Error>`
* Geneeriset tyypit
* `None`, `Some`, `Option`
* `Ok`, `Err`, `Result`

### Geneeriset rakenteet

Geneerisiä funktioita voidaan määritellä tyylillä `fn nimi<T>(x: &T) -> &T { ... }`, tietueissa `struct Nimi<T> { x: T }`, luetteloissa `enum Nimi<T> { Tyyppi(T), }` ja metodeissa `impl<T> Nimi<T> { fn nimi(&self) -> &T { ... }`. Geneerinen koodi laajennetaan automaattisesti spesifiseksi käännösvaiheessa (engl. *monomorphization*), joten nämä geneeriset tyypit eivät hidasta ohjelmaa. 

### Piirteet

Piirteet (engl. *traits*) ovat Rustin tapa organisoida metodeja rajapinnoiksi. Ne määritellään tyylillä `trait Piirre { fn metodi(&self) -> Tyyppi; ... }`. Piirteeseen voidaan kirjoittaa oletustoteutus. Tyypille tehdään piirteen toteutus tyylillä `impl Piirre for Tyyppi { ... }` – tällöin Rust-kääntäjä huolehtii, että kaikki piirteeseen kuuluvat metodit tulevat määritellyksi. Piirteet toimivat kuin tyypit ja mahdollistavat geneeristen funktioiden kirjoittamisen kaikille tyypeille, jotka toteuttavat tietyn piirteen, tyylillä `fn nimi(x: &impl Piirre) { ... }` tai `fn nimi<T, U>(x: &T, y: &U) -> impl Piirre4 where T: Piirre1 + Piirre2, U: Piirre3 { ... }`. Samaan tapaan voidaan kirjoittaa geneeriselle tyypille metodeita (tai vastaava piirretoteutus) niin, että tämä koskee vain tietyt piirteet toteuttavia versioita, tyylillä `impl<T: Piirre> Tyyppi<T> { ... }`. 

Tavallisia piirteitä ovat muun muassa
* `Display`
* `Clone`
* `Debug`
* `Copy`
* `ToString`

## Kirjastot
Rust Standard Library (RSL) on standardikirjasto, joka sisältää tärkeimmät ominaisuudet ohjelmointia varten. Moduulit sisältävät kirjastoja muistialueiden, primitiivityyppien, kokoelmien ja virheiden käsittelyyn, iterointiin, IO-operaatioihin, säikeistykseen ja prosessien hallintaan, sekä joukon makroja.

## Ympäristö
### Kielen asennus

Rust-projekti käyttää rustin asentamiseen rustup-työkalua, joka asentaa kohdeympäristöön virallisia kanavia pitkin julkaistun rust-version. Se toimii kaikissa rust-kielen tukemissa käyttöjärjestelmissä, mukaan lukien Windows.

### Pakettien asennus

Rust käyttää kirjastojen ja valmiiden rust-ohjelmien hallintaan Cargo-paketinhallintaa, joka perustuu Rubyn Bundler-paketinhallintaan. Cargo asentaa *crate*-ohjelmistopaketit crates.io-verkkopalvelusta. Cargo toimii myös työvälineenä rust-ohjelmien rakentamiseen, korvaten historiallisen maken.

### Testaaminen

Cargo helpottaa automaattista testaamista ajamalla kaikki tietyllä tavalla määritellyt testit komennolla `cargo test`. Yksi tapa on kirjoittaa testit kuhunkin lähdetiedostoon `#[cfg(test)]`-attribuutilla merkittyyn `tests`-moduuliin, jossa testifunktioille annetaan attribuutti `#[test]`. Toinen tapa on luoda `tests`-kansio, jonka kaikki lähdetiedostot tulkitaan testeiksi eikä osaksi laatikkoa. Tämä kansio on tarkoitettu kirjaston testaamiseen integroivalla tavalla. Testifunktiot käyttävät yleensä makroja kuten `assert!`, `assert_eq!` ja `assert_ne!`, mutta testin läpäisyä voi edustaa myös `Ok(())` (ja virhettä `Err(virhe))`. Normaalisti `panic!`-kutsu tarkoittaa, ettei testiä läpäisty – päinvastaisessa tilanteessa käytetään attribuuttia `#[should_panic(expected = "osa virheviestiä")]`. 

## Historia

Ohjelmointikieli-insinööri Graydon Hoare aloitti rustin kehittämisen vuonna 2006. Hoare esitteli rustia työnantajalleen Mozilla-säätiössä, jonka jälkeen Mozilla perusti tiimin toteuttamaan rustilla tehdyn selainmoottorin, Servon.

Steve Klabnik tunnistaa rustin historiassa neljä aikakautta: henkilökohtainen (2006–2010), Graydonin vuodet (2010–2012), tyyppijärjestelmävuodet (2012–2014) ja julkaisuaika (2015 – toukokuu 2016). Kieltä kehitettäessä lähestymistapa on Klabnikin mukaan ollut empiirinen iteraatio, jossa implementoitujen ominaisuuksien toimivuus kokeillaan ennen niiden hyväksymistä.

Rust 1.0.0 julkaistiin 15. toukokuuta 2015. Julkaisuvuonna rustc-kääntäjän toteutuksessa oli . Hoare käytti rustin toteuttamiseen aluksi OCamlilla kirjoitettua tulkkia. Nykyisin rust on kirjoitettu rustilla.

## Esimerkki

Hello world -ohjelma.

```rust
// main.rs
// Ajo alkaa main-funktiosta.
fn main() {
    // println-makro kirjoittaa stdout:iin.
    println!("Hei, Wikipedia!");
}
// $ rustc main.rs
// $ ./main
// > Hei, Wikipedia!
```


## Yhteisö

Klabnikin mukaan projektissa pidetty tärkeänä itse kielen ominaisuuksien lisäksi ekosysteemiä, työkaluohjelmia, vakautta ja yhteisöä. Rust-yhteisössä tärkeitä ovat myös käytöskoodi, inhimillinen käytös ja turhan työn automaatio. Rust-projektin koodirepositorio tervehtii automaattisesti uusia toteuttajia, ja muutokset koodikantaan valitaan formalisoidun automaation avulla, jotta vältytään sosiaalisilta ristiriitatilanteilta.

Rust-koodia käyttävät muun muassa:
* Firefox-selain
* Dropbox
*Cloudflare, sen Pingora-palvelinohjelma
* Tor-anonyymiverkkoalusta
* npm-paketinhallinnan pakettirekisteri
*Facebook, Rust Foundationin jäsen vuodesta 2016
*Linux (ydin) versiosta 6.1 alkaen
*Android versiosta 12 alkaen

Vuonna 2024 Google on rahoittanut Rust Foundation -säätiötä miljoonalla dollarilla. Rahoitus on merkitty C++:n ja Rustin yhteensopivuuteen "Interop Initiative" -projektiin.

## Katso myös
* Ada, eräs toinen käännettävä ohjelmointikieli, joka Rustin tapaan keskittyy takaamaan muistinhallinnan turvallisuuden.

## Lähteet

## Aiheesta muualla

* The Rust Programming Language -kirjan nettiversio 
* Virallinen rust-asennustyökalu rustup (Windows, Linux, Unix) 
* Rust-leikkikenttä Rust Languagessa Kokeile Rust-kieltä selaimellasi 
* Rust-leikkikenttä integer32.com:issa Kokeile Rust-kieltä selaimellasi 
* Dunham, E: Rust 101 Käytännön johdatus Rustiin Australaasian Linux-konferenssissa. (webm-video) Wikimedia Commons. 
* Ilmainen MOOC-kurssi, jossa opetellaan Rust-ohjelmointikielen perusteet