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" (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 codice_1-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 (codice_2, codice_3) eli lainataan. Referoimisen vastaoperaatio on dereferointi codice_4. Yhteen arvoon voi olla yhdessä näkymässä vain yksi muuntamisen salliva referenssi (codice_5). (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 codice_6, codice_7, codice_8 ja codice_9. Tätä tarvitaan, kun käytetään referenssejä eikä kääntäjällä ole tarpeeksi informaatiota varmistaa, että elinajat riittävät. codice_10 tarkoittaa, että referenssi voi elää koko ohjelman ajon ajan. 
Tavallisten referenssien (osoittimien) lisäksi Rustissa voidaan käyttää älyosoittimia, joista tavallisimpia ovat standardikirjaston codice_11 (kekomuistiallokaatio), codice_12 (referenssien laskentaan perustuva moniomistajuus) ja codice_13 (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 codice_14. Alkiot ovat oletuksena yksityisiä eli käytettävissä vain oman moduulinsa sisällä. 
Moduuleja käytetään seuraavan syntaksin avulla:
Rinnakkaisohjelmointi.
Rinnakkaiseen ja asynkroniseen ohjelmointiin löytyy tukea erityisesti Rustin standardikirjastosta. Esimerkiksi codice_21 ajaa annetun sulkeuman uudessa säikeessä ja palauttaa kahvan, jonka codice_22-metodilla voidaan odottaa säikeen valmistumista. Referenssien elinaika on epäselvä asynkronisessa ajossa, joten annetun sulkeuman on omistettava ympäristöstään kaappaamansa arvot – tämä onnistuu syntaksilla codice_23. Viestien välitys säikeiden välillä onnistuu standardikirjaston codice_24-funktion avulla. Myös muistin jakaminen säikeiden välillä onnistuu codice_25- (lukko) ja codice_26-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 codice_19-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 codice_28, joka mahdollistaa erilaisten ja uusien tyyppien käsittelemisen samassa kokoelmassa ajon aikana – kunhan ne vain toteuttavat annetun piirteen (codice_29-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 codice_30 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 codice_31. 
Iteraattorit ovat tyyppejä, jotka palauttavat jokaisella codice_32-metodin kutsulla uuden arvon, kunnes kaikki arvot on kulutettu. Mikä tahansa tyyppi voi olla iteroitava, jos sille on määritelty codice_33-piirre (codice_34-tyyppi ja codice_32-metodi riittävät). Kun iteraattoria muutetaan muodosta toiseen, codice_36-metodilla (tai muulla ns. kuluttavalla metodilla) voidaan lopuksi kuluttaa se, eli esim. palauttaa iteraattorista haluttu vektorityypin rakenne (codice_37). 
Funktioita voidaan antaa argumentteina toisiin funktioihin, jotka on määritelty tyylillä codice_38.
Hahmonsovitus on Rustissa hyvin tavallista. Se onnistuu codice_39-, codice_40-, codice_41-, codice_42- ja codice_43-lauseissa sekä funktioiden parametreissa. Hahmonsovitus mahdollistaa myös monikkojen, tietueiden ja luetteloiden destrukturoinnin tyylillä codice_44. Alaviivalla codice_45 voidaan jättää osia hahmosta huomiotta ja codice_46-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 codice_47 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 codice_48 tai attribuutteina tyylillä codice_49 ja codice_50.
Yleisiä makroja ovat
Virheidenhallinta.
Rustissa käsitellään virheitä yleensä luettelon codice_58 ja hahmonsovituksen codice_39 avulla. codice_60-arvon voi käsitellä erityisen lyhyesti codice_61-operaattorin avulla tyylillä codice_62, jolloin tilanteessa codice_63 lauseke palauttaa suoraan codice_64. codice_61-operaattori on käytettävissä vain funktioissa, jotka palauttavat codice_60- tai vastaavan tyypin arvon. Toinen tavallinen tapa on käyttää codice_60-arvon codice_68-metodia, joka palauttaa arvon tai ajaa annetun sulkeuma. codice_69-metodi taas kutsuu virhetilanteessa suoraan codice_57-makron, mikä on hyödyllistä ohjelman kehityksen alkuvaiheessa.
Tietotyypit.
Tietotyyppejä Rustissa ovat muun muassa
Geneeriset rakenteet.
Geneerisiä funktioita voidaan määritellä tyylillä codice_113, tietueissa codice_114, luetteloissa codice_115 ja metodeissa codice_116. 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 codice_117. Piirteeseen voidaan kirjoittaa oletustoteutus. Tyypille tehdään piirteen toteutus tyylillä codice_118 – 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 codice_119 tai codice_120. Samaan tapaan voidaan kirjoittaa geneeriselle tyypille metodeita (tai vastaava piirretoteutus) niin, että tämä koskee vain tietyt piirteet toteuttavia versioita, tyylillä codice_121. 
Tavallisia piirteitä ovat muun muassa
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 codice_127. Yksi tapa on kirjoittaa testit kuhunkin lähdetiedostoon codice_128-attribuutilla merkittyyn codice_129-moduuliin, jossa testifunktioille annetaan attribuutti codice_130. Toinen tapa on luoda codice_129-kansio, jonka kaikki lähdetiedostot tulkitaan testeiksi eikä osaksi laatikkoa. Tämä kansio on tarkoitettu kirjaston testaamiseen integroivalla tavalla. Testifunktiot käyttävät yleensä makroja kuten codice_132, codice_55 ja codice_134, mutta testin läpäisyä voi edustaa myös codice_135 (ja virhettä codice_136. Normaalisti codice_57-kutsu tarkoittaa, ettei testiä läpäisty – päinvastaisessa tilanteessa käytetään attribuuttia codice_138. 
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.
// main.rs
// Ajo alkaa main-funktiosta.
fn main() {
 // println-makro kirjoittaa stdout:iin.
 println!("Hei, Wikipedia!");
// $ rustc main.rs
// $ ./main
// &gt; 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:
Vuonna 2024 Google on rahoittanut Rust Foundation -säätiötä miljoonalla dollarilla. Rahoitus on merkitty C++:n ja Rustin yhteensopivuuteen "Interop Initiative" -projektiin.