Rust (язык программирования)

Работа над языком была начата сотрудником Mozilla Грэйдоном Хором в 2006 году. Автор дал проекту название Rust, по его словам, связанное с грибами семейства ржавчинные (англ. rust fungi)[22].

В 2009 году[23] компания Mozilla начала отдельно спонсировать разработку Rust. Спустя год язык был официально представлен на Mozilla Summit 2010[24]. Изначальный компилятор, реализованный на OCaml, был заменен на новый, написанный на Rust и использующий LLVM для генерации машинного кода[25]; в следующем году новый компилятор впервые успешно скомпилировал сам себя[26].

Первая официальная альфа-версия Rust (0.1) была выпущена в январе 2012 года[27].

В апреле 2013 года был запущен Servo — экспериментальный проект компании Mozilla по разработке браузерного движка на Rust.[28]

Первая стабильная версия Rust (1.0) вышла в мае 2015 года. Программные интерфейсы и возможности языка подверглись значительной ревизии, после которой по умолчанию оставлены только полностью готовые к применению возможности, реализация которых не будет изменяться в дальнейшем. Все остальные функции переведены в разряд экспериментальных и вынесены из поставки по умолчанию[29].

Используется сильная статическая типизация. Поддерживается обобщённое программирование с поддержкой параметрического полиморфизма, обеспечивается автоматический вывод типов для локальных переменных (но не для параметров функций).

Реализована поддержка единичных типов данных — типов, которые имеют ровно один экземпляр и не занимают места в памяти, примеры:

• пустой кортеж ();
• пустой массив (напр. [u8; 0]);
• структура без полей (напр. struct Foo);
• структура с единичными типами (struct Foo([u8; 0], ())).

Реализованы пустые типы данных — типы, экземпляры которых не могут быть созданы; реализованы в виде перечисляемых типов, не имеющих вариантов: enum Void {}.

Все типы данных в языке делятся на две основные группы: простые и типы стандартной библиотеки.

Простые типы (типы постоянной длины, встроенные в сам язык) — числовой, булев, символьный, массив, срез, строковый срез, кортеж, ссылка, указатель на функцию. Часть простых типов является «машинной», то есть реализуются непосредственно в современных процессорах, таковы числовой, булев и символьный. Типы, предоставляемые стандартной библиотекой std (переменной длины): вектор, строка, хеш-таблица и им подобные.

Числовые типы:

• целое (integer): i8, u8, i16, u16, i32, u32, i64, u64, i128, u128, а также isize и usize, имеющие размер указателя на данной платформе. u8 применяется для «байтовых» значений. Примеры значений: -5i8, 0x400_u16, 0o100i16, 20_922_789_888u64, b'*' (байтовый литерал), b'\x1b', 42 (тип этого значения будет выведен автоматически), 0xfff_fc00usize
• Число с плавающей запятой (float). f32, f64. Примеры: 3.14f32, 6.0221e23f64, 2.,

Булев (bool): true, false.

Символьный (char): тип, представляющий символ Unicode (внутреннее представление данных как u32). Примеры значений: '₽', '\n', '\x7f', '\u{CA0}',

Указатель на функцию (function pointer): объекты-функции имеют тип, определяемый их сигнатурой, то есть параметрами и возвращаемым значением. Пример: let f: fn(i32) -> i32 = plus_one;

Ссылка (разделяемое заимствование — shared borrow) &T (разделяемая, не изменяемая, не владеющая ресурсом), вместо того, чтобы забирать владение ресурсом, она его заимствует. Имена, которые заимствуют что-то, не освобождают ресурс, когда они выходят из области видимости. Кроме того, имена-владельцы переходят в заимствованное состояние.

Ссылка изменяемая (изменяемое заимствование — mutable borrow) &mut T (не владеющая ресурсом). Позволяет изменять ресурс, который заимствуется.

Структуры (struct):

• структура си-подобная: struct Color {red: u8, green: u8, blue: u8}
• структура-кортеж: struct Color (u8, u8, u8);
• структура — «единичное» значение: struct Electron;

Коллекции:

• Массив (array) [T; N] — последовательность фиксированного размера N из однотипных (типа T) элементов. Примеры: [1, 2, 3], [true; 10000].
• Вектор (vec, vector) Vec<T>  — динамический/расширяемый массив. Примеры: vec![0; 10];, Vec::with_capacity(10)
• Срез (slice, view) &[T]  — это ссылка (или «проекция») на другую структуру данных. Они полезны, когда нужно обеспечить безопасный, эффективный доступ к части массива без копирования. Пример: &a[1..4],
• Кортеж (tuple) (T1, T2, T3, …). Подобно структуре, содержит произвольное количество разнотипных полей, но поля безымянны, обращение к полям возможно по индексу (t.0, t.1). Кортежи — безымянные типы: кортежи с одинаковым количеством и типами полей являются совместимыми по типу. С помощью ключевого слова type можно задать псевдоним, который, однако, не задаёт нового типа. Пример: ("Age", 22), ("Europe",),
• Кортеж нулевой длины ((); пустой кортеж) часто называют «единичным значением». Соответственно, тип такого значения  — «единичный тип». Если функция не возвращает значения, то считается, что она возвращает ().
• Хеш-таблица «ключ — значение» (HashMap) HashMap<T1, T2> — это структура данных, реализующая интерфейс ассоциативного массива, а именно, она позволяет хранить пары (ключ, значение) и выполнять три операции: операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу. Хеш-таблицы в Rust похожи на векторы, и хранят свои значения не по индексу, а по ключу. Пример: HashMap::new();
• Хеш-таблица — множество (HashSet) HashSet<T> — множество уникальных значений типа T. Добавление и удаление элементов, а также поиск элементов происходит быстрее, чем в других коллекциях^{[каких?]}.

Строковые типы:

• Строка (String) (имеет внутреннее представление данных в виде Vec<u8>) — тип, владеющий содержимым. String представляет собой строку, размещённую в куче. Эта строка расширяема, и она гарантированно является корректной последовательностью байтов с точки зрения UTF-8. String обычно создаётся путём преобразования из строкового среза с использованием метода to_string. Примеры: "строковый срез".to_string(), String::new().
• «Строковый срез» (string slice, string literal) &str, &'static str. Частный случай среза. Строковые срезы имеют фиксированный размер и не могут быть изменены. Они представляют собой ссылку на последовательность байтов UTF-8. Пример: "строковый срез". &'static str — строка, введённая символами в коде самой программы, — тот же строковый срез, только статически размещённый (сохраняемый в скомпилированной программе).
  • «Сырой строковый срез» (или сырой строковый литерал), в котором не работают управляющие последовательности: r"\d{0,5}.*".
  • «Байтовая строка» &[u8] — строковый литерал с префиксом «b»: b"white".

Перечисление (enum): каждый вариант в перечислении в Rust может быть также связан с другими данными, благодаря чему перечисление называют также tagged union или типом-суммой. Синтаксис для объявления вариантов схож с синтаксисом для объявления структур: могут быть варианты без данных, варианты с именованными данными и варианты с безымянными данными:

• вариант с «единичным» значением: enum Day {Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday}
• вариант с конкретным значением: enum Foo {Bar = 123,}.
• вариант — структура (именованные данные): enum Message {Quit, Move { x: i32, y: i32 }}.
• вариант — кортежная структура (безымянные данные): enum Message {Quit, Size(i32)}.

Константы:

• const — постоянные. Живут в течение всего времени работы программы. А именно, у них вообще нет определённого адреса в памяти. Это потому, что они встраиваются (inline) в каждое место, где есть их использование,
• static — значение с возможностью изменения, имеющее время жизни 'static. Похожи на постоянные, но статические значения не встраиваются в место их использования. Это значит, что каждое значение существует в единственном экземпляре, и у него есть определённый адрес. Также может быть изменяемым, при помощи ключевого слова mut. Изменения возможны только в unsafe блоках.

При выборе следует отдавать предпочтение const, так как зачастую для константы не нужен конкретный адрес в памяти и const позволяет делать оптимизации вроде Свёртки констант.

В языке реализована модель управления памятью, ориентированная на безопасные шаблоны параллельного выполнения, препятствующая некорректному доступу к памяти, который обычно является источником критических ошибок сегментации в других языках программирования. Обеспечивается контроль над использованием неинициализированных и деинициализированных переменных; невозможно совместное использование разделяемых состояний несколькими задачами; обеспечивается статический анализ времени жизни указателей и проверка на выход за пределы массива (автоматически и всегда, но доступно отключение проверки в unsafe-блоках с помощью метода get_unchecked).

Реализована так называемая Move-семантика: по умолчанию Rust «переносит» (move) указатель на объект в куче новому владельцу при присваивании, делая старую переменную недействительной. Этого не происходит, если тип реализует типаж Copy, поскольку данные в стеке копируются.

 let a = "объект с данными в куче".to_string();
// объект передан переменной b
// переменная a становится неинициализированной
let b = a;
// ошибка!
let c = a;

// данные объекта на стеке                                                                                       
let a = 55;
// копия объекта передана переменной b                                                                   
let b = a;
// c = 55                                                                                        
let c = a;

Ещё одна особенность модели памяти — поддержка заимствований (borrow) с возможностью изменения заимствованного объекта (&mut) и без таковой (&): Лексически и семантически очень схожи со ссылками, но имеют специфику: заимствование объекта сходно семантике «Либо много читателей, либо один писатель» — объект можно передать в заимствование либо однократно с возможностью изменения объекта, либо многократно без таковой; заимствования можно перезаимствовать другому заемщику. В отличие от обычной семантики «Либо много читателей, либо один писатель», применяется не в контексте синхронизации потоков, а универсально. Контроль корректности заимствований происходит во время компиляции и не порождает дополнительного исполнимого кода (принцип абстракций с нулевой стоимостью). Компилятором контролируется также соотношение времён жизни заимствований и самого объекта — заимствования не могут жить дольше (выходить за пределы области видимости) заимствованного объекта. Заимствования работают с любыми данными независимо от их размещения (стек, локальная или обменная куча, другие специальные расположения). Следует различать независимые понятия — изменяемость собственно заимствования (let mut b = &c) и изменяемость заимствованного объекта (let b = &mut c).

Упаковка (Box) — «умный» указатель, владеющий объектом в куче, уничтожает объект и освобождает память при выходе из области видимости.

Ячейка (Cell, RefCell) реализует изменяемость содержимого при неизменяемости самой ячейки.

Указатели со счётчиком ссылок (Rc<T>) и с атомарным счётчиком ссылок (Arc<T>): Умные указатели с подсчётом ссылок, уничтожающие объект и освобождающие память при обнулении счётчика. Arc реализует потокобезопасность для счётчика ссылок (но не для самого объекта). Rc и Arc контролируют неизменяемый объект, поэтому типичное их использование выглядит как Rc<Cell<T>> в однопоточной программе и Arc<Mutex<T>> в многопоточной.

«Сырые» указатели неизменяемые (*const T) и изменяемые (*mut T): Указатели без гарантии безопасности. Настоятельно не рекомендуется их использовать.

Связывания неизменяемы по умолчанию, а чтобы объявить переменную изменяемой, необходимо ключевое слово mut.

Примеры:

let x = 80;    // связывание владельца x со значением 80
let mut y = 50;    // изменяемое связывание
let z = &x;    // неизменяемая ссылка на неизменяемое связывание
let w = &mut y;    // неизменяемая ссылка на изменяемое связывание
let r = &mut y;    // ошибка: нельзя создавать вторую ссылку на изменяемое связывание

*w = 90    // y = 90
*z = 30    // ошибка: попытка изменения через ссылку на неизменяемое связывание

let n = Box::new(42);    // упаковка
let m = Rc::new(55);    // счётчик ссылок
let data = Arc::new("test_string")    // атомарный счётчик

В своей докторской диссертации Ральф Юнг (англ. Ralph Jung) формально доказал потокобезопасность и безопасность управления памятью, использовав логику разделения в созданной им модели RustBelt и инструменте Iris (основанном на Coq)[30].

Синтаксис языка похож на Си и C++; язык регистрозависимый, блоки кода ограничиваются фигурными скобками; используются стандартные наименования управляющих конструкций if, else, while, и for; комментарии также пишутся в С-формате; имена модулей разделяются двумя символами двоеточия (::). Идентификаторы могут содержать латинские буквы, цифры и знак подчёркивания. В строковых литералах допускается использование любых символов unicode в кодировке UTF-8.

Набор операторов в Rust: арифметические (* — умножение, / — деление, % — взятие остатка от деления, + — сложение, - — вычитание и унарный префиксный оператор - для смены знака числа), битовые (>>, <<, &, | и ^), операторы сравнения (==, !=, <, >, <=, >=), логические (&& и ||). Для приведения типов в Rust используется бинарный оператор as. Неявное приведение типов происходит в очень небольшом наборе ситуаций[31].

Rust поддерживает макроопределения — средства подстановки с использованием регулярных выражений, выполняющиеся во время этапа подготовки к компиляции, более развитые и безопасные, чем в Си. Макроопределения (макрокоманды) — это определяемые пользователем простые расширения синтаксиса, выполняемые с помощью команды macro_rules! Макрокоманды определяются в том же стиле, что и конструкция сопоставления с образцом. Признак макроса — восклицательный знак в конце имени. Также поддерживаются так называемые «процедурные» макроопределения[32], имеющие возможность исполнять произвольный код во время компиляции.

let x: i32 = 5;

let x = 10;

match x {
    1 | 2 => println!("один или два"),
    3 => println!("три"),
    4..=10 => println!("от четырёх до десяти"), // Отработает эта ветка, ведь 10 принадлежит данному диапазону.
    _ => println!("что угодно, не соответствующее условиям выше"), // "_" соответствует любому значению
}

struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

let point = Point { x: 0, y: 0 }; 

match point {
    Point { x: 0, y } => println!("x - ноль, y равен {}", y), // так как "x" равен нулю, отработает эта ветка.
    Point { x, y: 0 } => println!("x равен {}, y - ноль", x),
    Point { x, y } => println!("x = {}, y = {}", x, y),
}

enum Color {
    Rgb(i32, i32, i32),
    Hsv(i32, i32, i32),
}

let color = Color::Hsv(0, 0, 100);

match color {
    Color::Rgb(0, 0, 0) | Color::Hsv(0, 0, 0) => println!("чёрный"),
    Color::Rgb(255, 255, 255) | Color::Hsv(0, 0, 100) => println!("белый"), // отработает эта ветка.
    Color::Rgb(red, green, blue) => {
        println!("красный: {}, зелёный: {}, синий: {}", red, green, blue)
    } // отработает при любых значениях Rgb, которые не соответствуют условиям выше.
    Color::Hsv(hue, saturation, brightness) => println!(
        "тон: {}, насыщенность: {}, яркость: {}",
        hue, saturation, brightness
    ), // то же самое, только с Hsv.
}

let (a, b) = (1, 2);

println!("{}", a); // 1
println!("{}", b); // 2

let x = Some(10);

if let Some(value) = x {
    // здесь мы деструктурируем x, переменная value хранит значение 10.
    // выполнится эта ветка, так как "x" хранит внутри значение.
    println!("значение = {}", value);
} else {
    // оператор "else" здесь выступает заменой "_" в выражениях match.
    println!("x - пуст");
}

В Rust объектная система основана на типажах (traits) и структурах (structs). Типажи определяют сигнатуры методов, которые должны быть реализованы для каждого типа (чаще всего — структуры), реализующего типаж. Типаж может содержать и реализации методов, принимаемые по умолчанию. Реализация типажей для данной структуры, а также реализация собственных методов структуры обозначается ключевым словом impl. Язык содержит несколько десятков встроенных типажей, большая часть которых используется для перегрузки операторов, а некоторые имеют специальное значение.

Rust поддерживает аналогию наследования типажей — типаж может требовать от реализующего типа реализацию других типажей. Однако языковой поддержки наследования самих типов, и следовательно, классического ООП, в Rust нет. Вместо наследования типов, аналогия иерархии классов реализуется введением типажей, включением структуры-предка в структуру-потомка или введением перечислений для обобщения разных структур[33].

Язык поддерживает обобщённые типы (generics). Помимо функций, обобщёнными в Rust могут быть комплексные типы данных, структуры и перечисления. Компилятор Rust компилирует обобщённые функции весьма эффективно, применяя к ним мономорфизацию (генерация отдельной копии каждой обобщённой функции непосредственно в каждой точке её вызова). Таким образом, копия может быть адаптирована под конкретные типы аргументов, а следовательно, и оптимизирована для этих типов. В этом отношении обобщённые функции Rust сравнимы по производительности с шаблонами языка C++.

В более ранних версиях языка поддерживались легковесные потоки, но потом от них отказались в пользу нативных потоков операционной системы. При этом рекомендуемым методом обмена данными между потоками является отправка сообщений, а не использование общей памяти. Для достижения высокой производительности возможно отправлять данные не через копирование, а используя собственные указатели (Box<T>). Они гарантируют наличие только одного владельца.

Определение и вызов асинхронных операций поддерживаются на уровне синтаксиса языка: ключевое слово async определяет асинхронную функцию или блок; обычный вызов такой функции возвращает объект с типажом Future — дескриптор ленивой асинхронной операции[34]. Вызов .await позволяет одной асинхронной операции ждать, пока не завершится другая асинхронная операция. При этом реализация среды исполнения асинхронных операций не входит ни в ядро языка, ни в стандартную библиотеку, а предоставляется сторонними библиотеками[35].

Система модулей: единица компиляции («крейт») может состоять из нескольких модулей. Иерархия модулей, как правило, совпадает с иерархией каталогов и файлов проекта. Модуль (как правило) является отдельным файлом, а также является пространством имен и одним из средств управления видимостью идентификаторов: в пределах модуля (и в подмодулях) «видны» все идентификаторы, в вышестоящих модулях видны только публичные (pub) функции, типы, типажи, константы, подмодули, поля структур.

Автоматизированное тестирование: язык дает возможность реализовать автоматизированные модульные тесты (юнит-тесты) прямо в тестируемом модуле либо подмодуле. Тестовые методы при компиляции игнорируются и вызываются только при тестировании. Интеграционные тесты реализуются как отдельные крейты в каталоге tests.

Автоматизированное документирование: средство rustdoc позволяет генерировать HTML-документацию прямо из исходного кода. Документация в коде маркируется тройным слешем (/// Пример документации) либо двойным с восклицательным знаком, для документации модулей - (//! Пример документации модуля). Поддерживается язык разметки Markdown. В документацию может быть встроен код, который является запускаемым (документационные тесты). Это позволяет, в том числе, проверять актуальность документации при внесении изменений в проект.

Система управления пакетами: менеджер пакетов cargo (являющийся также основным инструментом создания, компиляции и тестирования проектов) с помощью файла манифеста Cargo.toml разрешает зависимости проекта (импортируемые крейты), загружая их из репозитория crates.io.

Требования к идентификаторам: компилятор контролирует выполнение соглашений об именовании переменных, типов, функций и так далее (snake_case, UpperCamelCase, SCREAMING_SNAKE_CASE), а также неиспользуемые идентификаторы; неиспользуемые идентификаторы рекомендуется начинать со знака подчеркивания; есть определённые рекомендации по именованию конструкторов, методов преобразования типов и др.[36]

Hello, world!:

fn main() {
    println!("Hello, world!");
}

99 бутылок пива:

fn declension_of_noun(count: u8) -> &'static str {
    let remainder = count % 10;

    // исключения из правил
    if count == 11 || count >= 12 && count <= 14 {
        return "бутылок";
    }

    match remainder {
        1 => return "бутылка",
        2..=4 => return "бутылки",
        _ => return "бутылок",
    }
}

fn main() {
    let mut word = declension_of_noun(99);

    for i in (2..=99).rev() {
        println!("{} {} пива на стене", i, word);
        println!("{} {} пива!", i, word);
        println!("Возьми одну, пусти по кругу");

        word = declension_of_noun(i - 1);

        println!("{} {} пива на стене!\n", i - 1, word);
    }

    println!("1 бутылка пива на стене");
    println!("1 бутылка пива!");
    println!("Возьми одну, пусти по кругу");
    println!("Нет больше бутылок пива на стене!\n");
    println!("Нет бутылок пива на стене!");
    println!("Нет бутылок пива!");
    println!("Пойди в магазин и купи ещё");
    println!("99 бутылок пива на стене!");
}

Принципы работы с памятью Rust ощутимо отличаются как от языков с полным доступом к памяти, так и от языков с полным контролем за памятью со стороны сборщика мусора. Модель памяти Rust построена таким образом, что, с одной стороны, предоставляет разработчику возможность контролировать, где размещать данные, вводя разделение по типам указателей и обеспечивая контроль за их использованием на этапе компиляции. C другой стороны, механизм подсчёта ссылок Rust старается выдавать ошибки компиляции в тех случаях, в которых использование прочих языков приводит к ошибкам времени выполнения или аварийному завершению программ.

Язык позволяет объявлять функции и блоки кода как «небезопасные» (unsafe). В области такого небезопасного кода не применяются некоторые ограничения, таким образом можно выполнять операции на более низком уровне, но разработчик должен полностью понимать, что он делает.

• Блэнди Дж., Орендорф Дж. Программирование на языке Rust = Programming Rust. — ДМК Пресс, 2018. — 550 с. — ISBN 978-5-97060-236-2.
  • Оригинал: Jim Blandy, Jason Orendorff. Programming Rust. — O'Reilly Media, March 2016. — ISBN 978-1-4919-2721-2.
• Ivo Balbaert. Rust Essentials. — Packt Publishing, May 2015. — ISBN 978-1-78528-576-9.

• rust-lang.org — официальный сайт языка программирования Rust
• Центральный репозиторий библиотек, написанных на Rust
• Ржавый ящик — русскоязычный сайт о языке программирования Rust
• Rust Rosetta — реализации различных задач программирования
• Язык программирования Rust (оригинал: The Rust Programming Language).
• Rust на примерах (оригинал: Rust by Example).