Rust (编程语言)

Rust是由Mozilla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”，支持函数式、并行式、过程式以及面向对象的程式设计风格。

Rust语言原本是Mozilla员工Graydon Hoare的个人专案，而Mozilla于2009年开始赞助这个专案，并且在2010年首次公开。也在同一年，其编译器源代码开始由原本的OCaml语言转移到用Rust语言，进行自我编译工作，称做“rustc”，并于2011年实际完成。这个可自我编译的编译器在架构上采用了LLVM作为它的后端。

第一个有版本号的Rust编译器于2012年1月释出。Rust 1.0是第一个稳定版本，于2015年5月15日释出。

Rust在完全公开的情况下开发，并且相当欢迎社区的回馈。在1.0稳定版之前，语言设计也因为透过撰写Servo网页浏览器排版引擎和rustc编译器本身，而有进一步的改善。它虽然由Mozilla资助，但其实是一个共有专案，有很大部分的程式码是来自于社区的贡献者。

## 设计

Rust的设计目标之一，是要使设计大型的互联网客户端和服务器的任务变得更容易。因此更加强调安全性、内存配置、以及并行处理等方面的特性。

### 性能

在效能上，具有额外安全保证的代码会比C++慢一些，例如Rust对数组进行操作时会进行边界检查（尽管可以通过一些方式绕过），而C++则不会，但是如果等价的C++代码作手工检查，则两者效能上是相似的。

### 编译报错

比起C/C++，Rust编译器对于代码中错误的提示更清晰明了，开发者可根据提示轻松地修复代码中的错误。

### 编译速度

由于其编译器会做出额外的安全检查，Rust的编译速度有时低于C/C++。

### 语法

Rust的语法设计，与C语言和C++相当相似，区块（block）使用大括号隔开，控制流程的关键字如`if`、`else`、`while`等等。在保持相似性的同时，Rust也加进了新的关键字，如用于模式匹配的`match`（与`switch`相似）则是使用C/C++系统程式语言的人会相对陌生的概念。尽管在语法上相似，Rust的语义（semantic）和C/C++非常不同。

### 内存安全

为了提供内存安全，它的设计不允许空指标和悬空指标。指标只能透过固定的初始化形态来建构，而所有这些形态都要求它们的输入已经分析过了。Rust有一个检查指标生命期间和指标冻结的系统，可以用来预防在C++中许多的型别错误，甚至是用了智能指针功能之后会发生的型别错误。

### 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虽然有垃圾回收系统，但非如Java或.NET平台的全自动垃圾回收。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

它的型别系统直接地模仿了Haskell语言的类型类概念，并把它称作“traits”，可以把它看成是一种特设多态。Rust的作法是透过在宣告型别变数（type variable）的时候，在上面加上限制条件。至于Haskell的高阶型别变数（Higher-kinded polymorphism）则还未支援。

型别推导也是Rust提供的特性之一，使用`let`语法宣告的变数可以不用宣告型别，亦不需要初始值来推断型别。但如果在稍后的程式中从未指派任何值到该变数，编译器会发出编译时（compile time）错误。函数可以使用泛型化参数（generics），但是必须绑定Trait。不能使用方法或运算子而不声明它们的型别，每一项都必确明确定义。

Rust的物件系统是基于三样东西之上的，即实作（implementation）、Trait以及结构化资料（如struct）。实作的角色类似提供Class关键字的程式语言所代表的意义，并使用`impl`关键字。继承和多型则通过Trait实现，它们使得方法（method）可以在实作中被定义。结构化资料用来定义字段。实作和（trait）都无法定义字段，并且只有（trait）可以提供继承，藉以躲避C++的“钻石继承问题”（菱型缺陷）。

## 历史

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基金会宣布将与三星集团合作开发浏览器排版引擎Servo，此引擎将由Rust来实作。

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、华为、Google、微软以及Mozilla宣布成立Rust基金会，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初始开发者 Linus Torvalds 表示在Linux核心6.1版中会有对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。

## 生态系统

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。

### 集成开发环境支持

rust-analyzer 是一系列工具，可以通过语言服务器协议为集成开发环境（IDE）和文本编辑器提供有关某一Rust项目的信息。利用它，开发者可以在编辑Rust代码时使用自动完成和编译错误显示等功能。

## 代码示例

下面的代码在Rust 1.95中测试通过。

### Hello World

```rust
fn main() {
    println!("Hello, World!");
}
```

如果不想使输出包含换行符(\n)，可以使用`print!`宏代替`println!`宏。

### 阶乘

下面是三个不同版本的阶乘函数，分别以递回、循环和迭代器的方法写成：

```rust
// 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));
}
```

### 并行计算

一个简单的Rust并行计算例子：

```rust
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();
    }
}
```

## 参阅

- Servo

## 外部链接

- 官方网站（简体中文、繁体中文）
- The Rust-dev Archives（邮件列表）
- Rust主源代码库及缺陷跟踪系统于Github
- Rust语言Wiki于Github
- Rust教学

## 基本资料

- 日语原文：Rust
- 编程范型：编译语言、并行计算、函数式、指令式、物件导向、结构化
- 发行时间：2010年
- 设计者：Graydon Hoare
- 开发者：Mozilla
- 类型系统：静态类型、强型别、类型推论、结构类型
- 受影响于：Alef (程式语言)、C#、C++、Cyclone (程式语言)、Erlang、Haskell、Hermes (程式语言)、Limbo、Newsqueak、NIL (程式语言)、OCaml、Ruby、Scheme、Standard ML、Swift
- 施影响于：C# 7、Elm、Idris、Swift、Carbon
- 操作系统：Linux、macOS、Windows、FreeBSD、Android、iOS等
- 许可证：Apache许可证2.0及MIT许可证
- 文件扩展名：.rs、.rlib