Rust编程语言的特点及其适合做什么

Rust编程语言的特点

Rust是一门系统级编程语言，它有如下特点。

1. 类C的语言语法

Rust的具体语法和C/C++类似，都是由花括号限定代码块，还有一样的控制流关键字，例如if、else、while和for。然而，也并非所有的C或者C++关键字都被实现了。尽管与C/C++极其相似，Rust在深层语法上跟元语言家族的语言，比如Haskell（一种通用的纯函数编程语言）更接近。基本上一个函数体的每个部分都是表达式，甚至是控制流操作符。例如，普通的if表达式就取代了C的三元表达式。一个函数不需要以return表达式结束，在这种情况下函数最后的表达式就是返回值。

2. 内存安全

Rust语言系统设计用于保证内存安全，它在安全代码中不允许空指针、悬垂指针和数据竞争。数值只能用一系列固定形式来初始化，要求所有输入已经被初始化。在其他语言中复制函数指针要么有效、要么为空，比如在链表和二叉树等数据结构中，Rust核心库提供Option类型，用来测试指针是否有值。Rust同时引入添加语法来管理生命周期，而且编译器通过租借检查器来说明相关理由。

3. 高效的内存管理

Rust不像Go、Java以及.NET Framework那样使用自动垃圾回收系统。不同的是Rust通过RAII来管理内存和资源，还可以选用引用计数。Rust以低开销提供资源确定性管理。Rust也支持值的栈分配，并且不表现暗箱。Rust中也有引用概念（用&符号），不包含运行时引用计数，租约检查器的编译时已经验证了此类指针的安全性，阻止悬空指针和其他形式的未定义行为。

4. 引进所有权

所有权（系统）是Rust最为与众不同的特性，对语言的其他部分有着深刻含义。它让Rust无须进行垃圾回收即可保障内存安全，因此理解Rust中的所有权如何工作是十分重要的。所有程序都必须管理其运行时使用计算机内存的方式，有些语言具有垃圾回收机制，在程序运行时有规律地寻找不再使用的内存，而有些语言程序员必须亲自分配和释放内存。

C/C++这样的语言主要通过手动方式管理内存，开发者需要手动申请和释放内存资源。但为了提高开发效率，只要不影响程序功能的实现，许多开发者没有及时释放内存的习惯。所以手动管理内存的方式常常造成资源浪费。

Java语言编写的程序在虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）中运行，JVM具备自动回收内存资源的功能。但这种方式常常会降低运行时效率，所以JVM会尽可能少地回收资源，这样也会使程序占用较多的内存资源。

Rust则选择了第三种方式，通过所有权系统管理内存，编译器在编译时会根据一系列的规则进行检查。违反任何规则，程序都不能编译。在运行时，所有权系统的任何功能都不会减慢程序运行速度。

Rust有一个所有权系统，所有的值都有一个唯一的属主，值的有效范围跟属主的有效范围一样。Rust中的每一个值都有一个所有者，值在任一时刻有且只有一个所有者，所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。在任何时候，要么有多个不可变引用，要么只有一个可变引用。Rust编译器在编译时执行这些规则，同时检查所有引用的有效性。

5. 类型多态

Rust的类型系统支持一种类似类型类的机制，叫traits，是被Haskell语言激发灵感产生的。这是一种用于特定同质法的设施，通过给类型变量声明添加约束来实现。其他来自Haskell的特性，如更高类型多态还没有支持。

Rust适合做什么

Rust语言适合做的事情包括以下8个方面：防止数据泄露、数据分析、游戏开发、机器学习、嵌入式设备的开发、网络服务器的开发、编译成 WebAssembly、直接生成目标可执行程序。

1. 防止数据泄露

Rust已经是一种用于生产环境的成熟技术。作为一种系统编程语言，它允许用户保持对低级细节的控制。用户可以选择将数据存储在堆栈上（用于静态内存分配），还是存储在堆上（用于动态内存分配）。在这里，着重提一下RAII技术。RAII也称为“资源获取就是初始化”，是C++等编程语言常用的管理资源、避免内存泄露的方法。它保证在任何情况下，使用对象时先构造对象，再析构对象，这是一个主要与C++相关的代码习语，但该技术现在也存在于Rust中，即每次对象超出范围时，都会调用其析构函数并释放其拥有的资源，程序员不必手动执行此操作，并且可以防止资源泄露错误。

2. 数据分析

高性能和安全性对使用Rust来执行大量数据分析的科学家具有强烈的吸引力。Rust的速度非常快，使其成为计算生物学和机器学习的理想选择，在这些领域的应用中，用户需要非常快速地处理大量数据。

3. 游戏开发

Rust是一种面向性能的语言，它可以通过适当的内存管理有效地执行复杂的任务。此外，Rust不使用垃圾回收器，这是最优化的游戏性能的加分项。

4. 机器学习

Rust预计将在机器学习（Machine Language，ML）领域大放异彩，因为它的低级内存控制。该语言使用高级抽象，这些抽象在构建基于Rust的神经网络时非常有益。Rust具有创建现代算法的巨大潜力，但它仍然远不及其他机器学习语言。程序员目前正在尝试Rust，该语言仍然需要一些时
间来成熟到足以创建机器学习算法，就像我们在Python中所做的那样。目前正在创建新的Rust库来开发可靠的神经网络，但这需要一些时间。

5. 嵌入式设备的开发

Rust是一种低级编程语言，可直接访问硬件和内存，这使其成为嵌入式和裸机开发的绝佳解决方案。用户可以使用Rust编写操作系统或微控制器应用程序。事实上，有许多用Rust编写的操作系统，例如vivo自主研发的“蓝河操作系统”（BlueOS）、BlogOS、RustOS、QuiltOS、intermezzOS等。Rust也被用于浏览器（如Mozilla Firefox）、游戏等方面。不少开发者视 Rust 为一种更具创新性的系统级语言，因为它不允许悬空指针或空指针。它是为了在不影响性能和速度的前提下做到安全、可靠而创建的。

6. 网络服务器的开发

Rust用极低的资源消耗做到安全高效，且具备很强的大规模并发处理能力，十分适合开发普通或极端的服务器程序，可以用于开发网络服务器。

7. 编译成WebAssembly

Rust可以被编译成WebAssembly，WebAssembly是一种JavaScript的高效替代品。

8. 直接生成目标可执行程序

Rust编译器可以直接生成目标可执行程序，不需要任何解释程序，可用于传统命令行程序。

本文节选自《Rust编程与项目实战》，获出版社和作者授权发布。