趨勢
StackOverflow 公佈了報告 Rust 連續 7 年成為“最受歡迎”的語言。越來越多的公司準備在新項目上運用它來加強安全和性能上的保障： Gooogle、FaceBook、亞馬遜等大公司內部都有開始在底層系統上用 Rust 替代部分C/C++；最新的安卓 13 公佈了 SOAP 底層系統有 21% 的 Rust 程序，且數據顯示極大降低了安全漏洞；Linus 也表示 Rust 將成為 C 以外的另一種系統編程語言；華為、亞馬遜、微軟、Mozlia 等已成立 Rust 基金會。這一系列的事件表明，Rust 正在越來越被重視。
從另外一個角度，不同於一些被大公司把持的技術，Rust 是由公益組織 Mozilla 牽頭實驗的一項開源項目，整個過程和細節都是公開透明，且最終有多家公司成立的 Rust 基金會負責管理。 Rust 是一項沒有歷史包袱、且不被任何一家公司壟斷的技術。
源起
每種語言的誕生和受歡迎都有其背景，我們不比較語言的“好壞”，而是簡單看下 Rust 的是怎麼產生、想要解決什麼問題。
早在幾十年前的貝爾實驗室誕生的 C 及後續的 C ++ 提供了非常流行的高級語言，C 幾乎是為 unix 系統而生，是最高用高級語言編寫操作系統的嘗試之一。它提供了簡潔友好的上層表現能力，同時又能靈活的訪問底層。C ++ 理論上可以理解為 C 的一個超集（實際不完全兼容），在 C 的基礎上提供面向對象等各種解決複雜領域的抽象和工具。C/C++ 在誕生到如今，一直是底層系統開發的主流，操作系統、瀏覽器，嵌入式設備等這些需要訪問底層硬件，或者需要高性能的領域幾乎都在使用 C/C++。
C/C++ 相對彙編而言，是一種更高的抽象，但需要額外做很多底層的事情，比如控制指針操作堆內存，手動釋放內存等。對於大量上層應用軟件而言，我們希望開發者可以更加聚焦到業務本身，而不是底層細節。於是有了大量進一步抽象的高級語言，比如適合瀏覽器的 Javascript ，適合後台業務邏輯處理的 Java、C# ， 流行於科學計算的 python 等。這些語言屏蔽了更多底層細節，做了更多適合於特定場景的設計，比如面向對象，弱化類型、函數式、垃圾回收等。這些抽象程度更高的語言，大部分都是解釋型語言，需要自帶解釋器或者虛擬機。解釋執行帶來的好處是跨平台，可以自動進行垃圾回收，代價是執行性能受到限制。
為了繼續在語言層面兼具性能和方便開發者，繼續優化方向有兩種。其一是把程序編譯成二進制文件，但同時仍然提供自動垃圾回收和各種高級抽象的語法，在性能和內存管理上進行平衡，代表則是 Google 發佈的 Go ；另一種是編譯成二進制文件，在不提供運行時的自動垃圾回收的情況，仍然能自動管理內存。
在 C/C++ 中，開發者需要手工管理內存，通常非常容易帶來潛在的安全問題，還有各種開發的心智負擔。Go 採取了折中，在編譯的二進制文件程序中，提供運行時垃圾回收。為什麼説是折中呢？因為內存沒有被開發者手動釋放，需要垃圾回收邏輯定期的尋找這些被引用的變量，然後再集中清理掉。在清理垃圾的過程，程序是處於短暫暫停狀態。對於大部分份場景，這種毫秒級暫停幾乎可以忽略不計，所以 Google 大部分後台業務由 Go 進行實現的。但對於更底層的操作系統、瀏覽器、FPS 遊戲、性能工具等對停滯非常敏感的場景，垃圾回收仍然被視為一種負擔。怎麼樣才能既滿足編譯到二進制的高性能，又不想增加開發管理內存帶來的心智負擔，
但又拒絕垃圾回收的開銷呢？ Rust 正是被設計成這樣一種語言，用於滿足高性能，同時帶來現代化開發的安全可靠、效率便捷。
下面 Rust vs C/C++ 在不同計算類型下的基準性能測試對比 https://benchmarksgame-team.p...
Rust 怎麼做到的
在程序設計領域，相同資源下，想要增加某個方面的效益，必定要放棄另一個方面的效益，比如空間換時間，開發效率換執行效率等。 Rust 是用什麼資源置換免去手工管理內存的工作、同時保障內存安全可靠的？答案是額外的編譯。
C/C++ 中內存的不安全主要源於指針和堆上的內存，用户申請的堆內存可以指向任意一個指針，指針可以賦值給任意一個變量，多個變量指向同一塊堆內存，只要其中一個變量進行數據修改，內存釋放等行為，都會導致其他變量發生安全問題。
char *pvalue = NULL;
char *pvalue2 = NULL;
char *pvalue3 = NULL;
pvalue = (char *)malloc( 200 * sizeof(char) );
strcpy(pvalue, "hello");
pvalue2 = pvalue;
pvalue3 = pvalue;
strcpy(pvalue, "hello2");
// ...
free(pvalue)如上面例子，同一個內存被指向多處變量，其中 pvalue 被修改，其他變量都會被自動改掉，這本質上是一種數據能夠被賦值共享修改的特性。軟件中的大量疑難雜症都和數據共享有關。
Rust 提供了一套內存安全的語法規則，保證在任意給定時間，要麼只能有一個引用被修改數據，要麼只能有多個不可變引用能讀取數據。這就是 Rust 變量所有權系統。
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;以上看似“正常”的代碼編譯不會通過。所有權語法極大限制了開發者對變量的賦值處理，思維習慣和傳統類 C 語言完全不一樣，對開發者需要適應的時間成本會高，這就是我們通常説的，學會和 Rust 編譯器“鬥智鬥勇” 。
與之相連的另一個設計是借用檢查器，通常叫稱生命週期。
在 C/C++ 棧中的變量比如基礎數據類型是不需要手工釋放，函數棧被執行完畢，代表離開作用域，內存都會自動丟棄掉；如果一個函數返回了一個指針，該指針執行函數內部的變量，那指針指向的變量就會變成無效值；在更復雜的場景，比如指針經過層層傳遞到達某個邏輯，但指針執行的變量其實早就被釋放了。這種疑難雜症非常不好定位。
Rust 在編譯階段會用一些規則檢測引用是否有效，從而規避不安全的內存風險。作用域內有了對引用賦值的限制，Rust 編譯階段會自動在作用域結束階段插入內存釋放代碼，從而無需開發者手動寫清理邏輯，這和 C++ 中的智能指針的自動析構類似。
所有權、借用檢查是 Rust 以賦值靈活性為代價，通過編譯檢查換取內存安全。Rust 初學的難點基本圍繞在對這一套思維的適應。
現代化能力
作為一個大部分從事前端開發層的工程師，Rust 對我更具吸引力的其實是它超全的現代化能力。Rust 是一門提供高性能的同時，又提供了各種高級現代抽象的語言
工具
C/C++ 是“古老”的語言，因為各種各樣的歷史包袱，在工具鏈上沒法完全達成一致，我們需要依賴一個成熟富有經驗的工程師積攢各種“獨門工具集”。
Rust 不存在這個問題。統一的文檔、統一的構建工具、統一的包管理工具、統一的語言風格、統一的 RFC 等。你所需要的 Rust 工具集合，完全是像 web 前端的 node + npm 包一樣便捷。這對生態構建是非常友好的，庫工作者只需要一鍵安裝、專注在編碼本身，然後通過 cargo 交叉編譯不同系統下的二進制文件，再配合 npm 一鍵發佈到統一的包管理中心。
函數式、泛型、面向對象
Rust 在性能上定位於媲美 C/C++ ，但也把現代語法的各種便利設計到語言層面。迭代器、函數式、閉包、泛型(Rust 泛型加上生命週期會更復雜)、面向對象是前端領域經常使用的一些模式，非常容易適應這些能力。通常這些更高級的抽象模式，在其他語言中會損失性能，Rust 通過一些優化，極大規避了這種情況。比如針對泛型的“單態化”在編譯期自動填充類型；比如針對迭代器做的“零成本抽象”等。
讓我們簡單看下 Rust 對比前端 js/ts 的常用編程表現。(有些語法可省略)
• 閉包
閉包是函數表達式能作為參數，內部能捕獲外部作用域的變量。
rust版本
let x = 1;
let add_one = |y| { return x + y };
let res = add_one(2);
println!("{}", res)js/ts版本
let x = 1;
let add_one = (y) => {
return x + y;
};
let res = add_one(2);
console.log!(res);• 迭代器
迭代器是前端做數據轉化時常用的寫法
rust 版本
let v1: Vec<i32> = vec![1, 2, 3];
v1.iter().map(|x| {return x + 1});
js/ts版本
let v1: number[] = [1, 2, 3];
v1.map((x) => {return x + 1});• 泛型
泛型是對不同數據類型的但行為相同的抽象，比如浮點數和整型都具備相加的行為，我們希望讓這兩個行為公用一個方法，而這個方法的類型則需要同時匹配多種類型
rust版本
use std::ops::Add;
fn main() {
let a = 1;
let b = 2;
let res = add(a, b);
println!("{}", res);
}
fn add<T:Add + Add<Output = T>>(a: T, b: T) -> T {
return a + b
}js/ts版本
ts 泛型比想象中其實更復雜，但實際開發中 any 容易被濫用。rust 泛型最複雜的部分是生命週期標註，且作為靜態編譯語言，rust 不存在 any 這樣的類型。
function main() {
let a = 1;
let b = 2;
let res = add(a, b);
console.log!(res);
}
function add<T extends number>(a: T, b: T): number {
return a + b;
}
• 面向對象
有些人説 Rust 不是面向對象的語言，因為沒有繼承，這是非常狹隘的觀點。Rust 官方不僅對面向對象的本質做了定義，也為 Rust 為什麼不實現繼承做了解釋，面向對象只是一種實現封裝代碼，提高複用、可讀性的一種思想而已，但其實現的手段有很多種。按《設計模式》作者的觀點：面向對象的程序是由對象組成的。一個 對象 包含數據和操作這些數據的過程。這些過程通常被稱為 方法 或 操作。Rust 毫無疑問可以非常方便對數據做抽象。
trait Animal {
fn say(&self) -> i32;
}
struct Dog {
age: i32
}
impl Animal for Dog {
fn say(&self) -> i32 {
println!("{}", self.age);
return self.age;
}
}
rust 的面向對象主要通過結構體 + trait 組合而成，trait 有點像 ts 的接口、抽象類、class 的混合體。trait 就是用於抽象這些通共同特徵的東西，可以有默認實現、也能過被其他結構體實現，然後能作為參數約束泛型。Rust 中有大量暴露給開發者的官方 trait，定義好了藉口，需要開發者去實現，比如迭代器、Clone、Copy 等。
js/ts版本
abstract class Animal {
abstract say():number;
}
class Dog extends Animal {
age: number
say () {
console.log(this.age)
return this.age
}
}
其他底層能力和無畏併發
自動清理內存、借用規則等是 Rust 安全的高級抽象，但 Rust 也暴露了和 C 一樣的底層能力。unsafe 關鍵字可以繞開這些限制，獲取裸指針，通常編寫底層代碼，或者提供更高性能的場景才會使用。Rust 包裝了一些常用的智能指針，比如向堆上寫數據的 Box<T>，允許相同數據有多個所有者的Rc<T>，用於併發的互斥鎖Mutex<T>等， 用Arc<T> 和 Mutex<T>的組合可以實現安全的在多線程之間共享所有權。 從底層能力的暴力可以看下 Rust 的安全理念就是：對於上層應用開發我們應該優先使用安全規則特性、而對常見的底層能力則通過智能指針包裝暴露給開發者，如果官方的智能指針無法滿足需求，則開發者通過 unsafe 自行實現底層能力。
未來
開篇已經講過，Rust 已經在諸如操作系統、瀏覽器、數據庫等大量涉及安全、性能的場景已經被各大公司在使用中。代表是亞馬遜、Google、華為等都是主要推動者，但想要短時間內把底層的基礎設施重構為 Rust 是可不能，未來會有更多公司對性能和的安全更敏感的底層會進行改造，在新項目上會做嘗試。
前端層面，Rust 對 Webassembly 支持非常給力，推進迅速。現代化齊全的包管理工具，配合前端 npm 包管理，在開發、測試、發佈過程都是無縫銜接。已有知名的前端項目有 swc 、 turbo 和 deno。前者替代 babel ，用 rust 重新編寫的 JS 轉譯器。turbo 是 webpack 作者的新項目，旨在用 Rust 編寫的打包器作為 webpack 繼任者。而 deno 則是 node 的作者目標是為 ts/js 實現一個更現代、更安全的運行時，用於替代 node 。
在跨平台上 Tauri 是一款和 electron 競爭的對手，採用 Rust 替代 Node 作為後端，系統自帶的 webview2 替代打包巨大的 chromium
Rust 可能是未來前端研發的新基礎設施。
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文檔信息標題：Rust 初步研究
發表時間：2022年12月4日
筆名：混沌福王
原鏈接：https://imwangfu.com/2022/12/...
版權聲明：如需轉載，請郵件知會 imwangfu@gmail.com，並保留此文檔信息申明
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