Rust 系統編程指南

簡介

在這篇文章中，我們將重點介紹 Rust 的系統編程功能。Rust 以強調安全性和效率而聞名，它特別適合於系統編程任務，如構建操作系統、web 服務器和底層應用程序。我們將討論爲什麼 Rust 是系統編程最好的選擇，並提供如何在這些上下文中使用 Rust 的示例。

我們還將瞭解 Rust 如何允許開發人員對他們的代碼進行底層控制，例如通過它對內聯彙編的支持以及它與 C 代碼互操作的能力。我們將討論使用這些底層特性所涉及的權衡和考慮。

最後，我們將介紹 Rust 對併發編程的支持，並提供如何在 Rust 中編寫併發代碼的示例。

在本文結束時，你應該對 Rust 用於系統編程的功能以及如何使用 Rust 構建高效可靠的系統級應用程序有一個良好的理解。

Rust for 系統編程

Rust 特別適合於系統編程任務，因爲它注重安全性和效率。Rust 有許多特性，使其非常適合系統編程，包括：

內存安全：Rust 的所有權和借用系統有助於防止常見的內存錯誤，如空指針或懸垂指針引用。這對於系統編程尤其重要，因爲這樣的錯誤可能會產生嚴重的後果。在 Rust 中，每個值都有一個所有者，當所有者超出範圍時，值會自動釋放。這有助於防止內存泄漏和其他錯誤。
併發編程：Rust 對併發編程有很強的支持，包括線程模型和同步原語，如互斥對象和原子變量。這使得它非常適合構建需要併發處理多個任務的系統。Rust 的線程模型基於所有權和借用的概念，這有助於防止數據競爭和其他併發編程錯誤。
高效代碼：Rust 旨在生成高效的代碼，重點是最小化運行時檢查和沒有垃圾收集器的開銷。這使得它非常適合於構建需要快速和高性能的系統。

下面是 Rust 如何用於系統編程的幾個案例：

構建操作系統：Rust 已用於構建一些操作系統，包括 Redox 和 Fuchsia。它的內存安全性和併發編程能力使它非常適合這種類型的任務。例如，Redox OS 使用 Rust 的所有權和借用系統來防止內存錯誤，並使用線程模型來支持併發性。
構建 web 服務器：Rust 有一些用於構建 web 服務器的庫和框架，如 Rocket 和 Actix。它的效率和併發編程能力使其成爲處理高流量和請求的絕佳選擇。例如，Rocket 使用 Rust 的宏爲構建 web 應用程序提供了一個乾淨而富有表現力的 API。
構建底層應用程序：Rust 的底層控制和高效代碼使其非常適合構建需要直接與硬件交互或執行其他底層任務的應用程序。例如，Rust 可以用來構建設備驅動程序或其他需要直接與硬件連接的應用程序。它還支持內聯彙編和與 C 代碼互操作的能力，這使開發人員可以在需要時靈活地使用底層特性。

Rust 的底層控制能力

Rust 允許開發人員通過一些特性對他們的代碼進行底層控制。在構建需要直接與硬件交互或執行其他底層任務的系統級應用程序時，這些特性非常有用。

內聯彙編

Rust 允許開發人員在代碼中使用 asm! 宏。這允許開發人員直接在 Rust 代碼中編寫彙編代碼，這對於需要精確控制硬件的任務非常有用：

let result: u32;
unsafe {
    asm!("mov eax, 1; mov ebx, 2; add eax, ebx" : "={eax}"(result) ::: "intel");
}
assert_eq!(result, 3);

在上面的例子中，我們使用 asm! 宏執行一些內聯程序集代碼，該代碼將兩個數字相加並將結果存儲在變量中。

使用內聯彙編的一個更實際的示例可能是讀取機器本身的精確時間戳計數器 (TSC)。時間戳計數器是一種以恆定速率前進的硬件計數器，可以用作高分辨率計時器。通過使用內聯彙編，我們可以直接從 Rust 的代碼中訪問這個硬件時間！

let result: u32;
unsafe {
    asm!("rdtsc" : "={eax}"(result) ::: "intel");
}
println!("The current time stamp counter is: {}", result);

與 C 語言交互

Rust 還對與 C 代碼的互操作提供了強大的支持。這允許開發人員在 Rust 代碼中使用現有的 C 庫，或者編寫可以從 C 調用的 Rust 代碼：

extern "C" {
    fn add(a: c_int, b: c_int) -> c_int;
}

fn main() {
    unsafe {
        let result = add(1, 2);
        assert_eq!(result, 3);
    }
}

在本例中，我們使用 extern 關鍵字來聲明一個名爲 add 的 C 函數，並從 Rust 代碼中使用不安全關鍵字調用它。這允許我們在 Rust 代碼中使用 C 函數，並與 C 庫交互。

與 C 庫的互操作能力打開了一個潛在的世界。例如，Amethyst 遊戲引擎是一個使用 Rust 構建的流行遊戲引擎，它使用 OpenGL 等 C 庫來完成它爲開發人員提供的所有功能。

需要注意的是，這些底層特性需要權衡和考慮。使用內聯彙編或與 C 代碼進行互操作會降低代碼的可移植性，增加維護難度。決定在代碼中使用這些特性之前，仔細權衡使用這些特性的利弊是很重要的。然而，能夠輕鬆地將彙編或 C 代碼合併到 Rust 應用程序中，使你構建的應用程序和系統類型增加了無限的擴展潛力。

Rust 的併發性

Rust 對併發編程有很強的支持，有許多內置的特性和庫用於編寫併發代碼。

Rust 併發模型的一個關鍵特性是所有權和借用的概念，正如我們在這篇文章和整個系列文章中提到的那樣。在 Rust 中，每個值都有一個所有者，當所有者超出範圍時，值會自動釋放。這有助於防止數據競爭和其他併發編程錯誤。

Rust 還有許多同步原語，如互斥對象和原子變量，可用於保護併發環境中的共享數據。

互斥 (互斥的縮寫) 是一種同步原語，可以用來保護共享數據不被併發訪問。在 Rust 中，互斥鎖類型 (Mutex) 提供了一種鎖定共享數據並防止多個線程同時訪問它的方法。使用互斥可以幫助防止數據競爭和其他併發編程錯誤，但它會帶來性能損失。獲取和釋放互斥鎖可能相對昂貴，所以明智地使用它們很重要，而且只在必要時使用。

類似地，原子變量是一種不需要顯式同步就可以併發訪問和修改的變量類型。在 Rust 中，Atomic 類型提供了一種使用原子變量的方法。原子變量是使用底層硬件特性 (如 CPU 指令或內存屏障) 實現的，它們被設計成高效且無鎖的。對於需要高性能或低開銷的併發編程任務，它們是一個有用的工具。

下面是 Rust 中如何使用互斥鎖來保護共享數據的例子：

use std::sync::{Mutex, Arc};
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(Mutex::new(0));

    for i in 0..10 {
        let data = data.clone();
        thread::spawn(move || {
            let mut data = data.lock().unwrap();
            *data += 1;
        });
    }

    thread::sleep(Duration::from_millis(50));

    println!("Result: {}", *data.lock().unwrap());
}

在這個例子中，我們使用一個 Arc(原子引用計數) 在多個線程之間共享一個受互斥鎖保護的值。我們爲循環的每次迭代創建一個新線程，並將 Arc 的克隆傳遞給每個線程。線程使用互斥量增加共享值以保護共享數據。

下面是另一個使用 join 方法等待多個線程完成的例子：

use std::thread;

fn main() {
    let handle_one = thread::spawn(|| {
        println!("Thread 1");
    });

    let handle_two = thread::spawn(|| {
        println!("Thread 2");
    });

    let handle_three = thread::spawn(|| {
        println!("Thread 3");
    });

    handle_one.join().unwrap();
    handle_two.join().unwrap();
    handle_three.join().unwrap();
}

在本例中，我們使用 thread::spawn 函數創建了三個線程，並將結果 JoinHandle 值存儲在變量 handle_one、handle_two 和 handle_three 中。然後，我們在每個 JoinHandle 上使用 join 方法來等待相應的線程完成。

join 方法將阻塞當前線程，直到指定的線程完成爲止，並返回一個 Result，其中包含線程閉包返回的值。在本例中，我們使用 unwrap 方法忽略 Result，只是等待線程完成。

Rust 的併發模型和同步原語使其非常適合構建需要併發處理多個任務的系統。它對安全性和效率的關注使它成爲併發編程任務的一個很好的選擇，特別是在系統編程的上下文中。

在本系列的最後一部分中，我們將探索一些可用的資源和工具，用於學習和使用 Rust 完成系統編程任務。

資源與工具

如果你有興趣學習更多關於 Rust 以及如何在系統編程中使用它，這裏有一些資源和工具，可能對你有用：

The Book：這本書是學習 Rust 語法、特性和標準庫的很好的資源。它包括 Rust 核心概念和特性的詳細解釋和示例，以及關於使用 Rust 的最佳實踐的指導。

https://doc.rust-lang.org/stable/book/

Rust By Example：是學習 Rust 的另一個有用資源。它提供了一系列交互式示例，演示如何使用各種 Rust 特性和庫。

https://doc.rust-lang.org/stable/rust-by-example/

Rust Standard Library documentation：Rust 標準庫文檔是 Rust 標準庫的全面參考。它包括標準庫中可用的類型、特徵和函數的描述，以及如何使用它們的示例。

https://doc.rust-lang.org/stable/std/

Rust Toolchain：Rust 工具鏈是一套用於開發 Rust 程序的工具。它包括 Rust 編譯器 (rustc)、Rust 包管理器(cargo) 和其他實用程序。Rust 工具鏈可用於各種平臺，並且易於安裝和使用。

https://www.rust-lang.org/tools/install

Rust Community：Rust 社區是最受 Rust 用戶和開發人員歡迎的社區。

https://www.rust-lang.org/community

本文翻譯自：

https://dev.to/bengreenberg/from-high-level-to-systems-programming-a-practical-guide-to-rust-part-2-fij

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/9yTm9CUP1hHOsaWjcl_ZwQ

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