系統(tǒng)編程中的 Rust：為什么開發(fā)人員選擇 Rust 而不是 C 和 C

日期：5-1-25

簡介

系統(tǒng)編程長期以來一直由 C 和 C 主導。幾十年來，這些語言一直是操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和性能關(guān)鍵型應用程序的支柱。然而，Rust 的興起打破了這一格局，提供了一種將性能與安全性結(jié)合起來的現(xiàn)代替代方案。在本文中，我們將探討為什么開發(fā)人員越來越多地選擇 Rust 而不是 C 和 C 進行系統(tǒng)編程。

什么是系統(tǒng)編程？

系統(tǒng)編程涉及創(chuàng)建與硬件和系統(tǒng)資源密切交互的軟件。這包括：

1. 操作系統(tǒng)：管理硬件和軟件資源。
2. 設(shè)備驅(qū)動程序：啟用硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)之間的通信。
3. 嵌入式系統(tǒng)：適用于資源受限的硬件設(shè)備的軟件。
4. 性能關(guān)鍵應用程序：游戲、數(shù)據(jù)庫和科學計算。

系統(tǒng)編程的需求需要效率、對硬件的控制和可預測的性能——這些都是 C 和 C 語言擅長的領(lǐng)域。然而，這些語言存在內(nèi)存安全問題和未定義行為等缺陷，導致開發(fā)人員尋求更好的替代方案。

為什么生銹？

Rust 為系統(tǒng)編程中固有的許多挑戰(zhàn)帶來了創(chuàng)新的解決方案。以下是開發(fā)人員做出轉(zhuǎn)變的原因：

1.沒有垃圾收集器的內(nèi)存安全

C 和 C 語言讓程序員可以手動控制內(nèi)存，但這種控制常常會導致緩沖區(qū)溢出、空指針取消引用和內(nèi)存泄漏等錯誤。 Rust 的所有權(quán)模型通過在編譯時執(zhí)行嚴格的規(guī)則來消除這些問題：

• 所有權(quán)和借用：確保在沒有運行時開銷的情況下管理內(nèi)存。
• 沒有空指針或懸空指針： Rust 通過設(shè)計防止了這些常見的錯誤原因。
• 安全并發(fā)： Rust 確保線程安全，防止數(shù)據(jù)競爭。

2.現(xiàn)代工具和生態(tài)系統(tǒng)

Rust 提供了增強開發(fā)人員體驗的現(xiàn)代工具：

• Cargo： Rust 的包管理器和構(gòu)建系統(tǒng)使依賴管理變得無縫。
• Crates.io： 一個充滿活力的庫（或“板條箱”）生態(tài)系統(tǒng)，供開發(fā)人員使用。
• Rust 分析器： 用于代碼完成、linting 等的高級語言服務(wù)器。

C 和 C 語言依賴于分散的工具生態(tài)系統(tǒng)，這使得 Rust 的集成方法成為一個顯著的優(yōu)勢。

3.無畏并發(fā)

并發(fā)是現(xiàn)代系統(tǒng)編程的基石，但在 C 和 C 中安全實現(xiàn)它是出了名的困難。 Rust 的所有權(quán)模型確保在編譯時捕獲數(shù)據(jù)競爭。開發(fā)人員可以編寫并發(fā)代碼，而不必擔心微妙的、難以調(diào)試的錯誤。

4.性能與 C 和 C 相當

Rust 的性能與 C 和 C 相匹配，因為：

• 零成本抽象：迭代器和特征等功能不會產(chǎn)生運行時開銷。
• 低級控制： Rust 允許對內(nèi)存和硬件進行細粒度控制。
• LLVM 后端： Rust 使用 LLVM 進行代碼生成可確保高度優(yōu)化的二進制文件。

5.開發(fā)人員生產(chǎn)力和可讀性

Rust 的語法和現(xiàn)代功能提高了開發(fā)人員的工作效率：

• 錯誤消息： Rust 提供了詳細的、初學者友好的錯誤消息。
• 模式匹配和特征：這些功能使代碼更具表現(xiàn)力且更易于理解。
• 安全第一：在編譯時捕獲錯誤可以減少調(diào)試時間。

Rust 與 C 和 C：關(guān)鍵比較

在系統(tǒng)編程中采用 Rust

許多重大項目都采用 Rust 進行系統(tǒng)編程：

1. Linux 內(nèi)核： Rust 現(xiàn)在是官方支持的內(nèi)核開發(fā)語言。
2. Firefox： Mozilla 的 Servo 引擎和 Firefox 的部分內(nèi)容是用 Rust 編寫的。
3. AWS Nitro Enclaves： 使用 Rust 實現(xiàn)安全、隔離的計算環(huán)境。
4. 操作系統(tǒng)： 像 Redox 這樣的新興操作系統(tǒng)項目完全是用 Rust 編寫的。
5. 嵌入式系統(tǒng)： Rust 因其安全性和性能而被物聯(lián)網(wǎng)和機器人技術(shù)采用。

使用 Rust 的挑戰(zhàn)

雖然 Rust 有很多優(yōu)點，但它也并非沒有挑戰(zhàn)：

• 學習曲線：所有權(quán)模型對于新手來說可能很難掌握。
• 生態(tài)系統(tǒng)成熟度：雖然發(fā)展迅速，但 Rust 的生態(tài)系統(tǒng)仍然比 C 和 C 年輕。
• 社區(qū)規(guī)模： 與 C 和 C 相比較小，盡管這種情況正在發(fā)生變化。

結(jié)論

Rust 將自己定位為系統(tǒng)編程的現(xiàn)代選擇，解決了 C 和 C 語言的缺點，同時保留了它們的性能和控制能力。通過優(yōu)先考慮內(nèi)存安全、無畏并發(fā)和開發(fā)人員生產(chǎn)力，Rust 使開發(fā)人員能夠構(gòu)建可靠、高性能的系統(tǒng)，同時減少錯誤并縮短開發(fā)周期。

對于那些考慮系統(tǒng)編程的人來說，學習 Rust 不僅僅是一項面向未來的投資，它還是通向更安全、更高效的軟件開發(fā)的門戶。

感謝您的閱讀！分享您對 Rust 在系統(tǒng)編程中的作用的看法。

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