Rust (мова програмування)

Rust
Парадигма	імперативна, рівночасна, структурна, узагальнена, функційна
Дата появи	2010
Творці	Грейдон Гоар
Розробник	Rust Project Developers
Останній реліз	1.77.2  (9 квітень 2024)
Система типізації	афінна, вивідна, іменна, статична, строга
Під впливом від	Alef, C#, C++, Cyclone, Elm, Erlang, Haskell, Limbo, Newsqueak, OCaml, Ruby, Scheme, Standard ML, Swift
Мова реалізації	Rust
Платформа	Windows, Linux, macOS, FreeBSD, iOS, Android, кросплатформова програма і WebAssembly
Операційна система	Linux, macOS, Windows, FreeBSD
Ліцензія	Apache License 2.0 або ліцензія MIT
Звичайні розширення файлів	.rs .rlib
Репозиторій вихідного коду	github.com/rust-lang/rust
Вебсайт	www.rust-lang.org
Медіафайли у Вікісховищі

Rust (укр. Раст, дос. «Іржа») — сучасна мультипарадигмальна мова програмування загального призначення. Мова має сильну (строгу) типізацію і зосереджена на безпечній роботі з пам'яттю та забезпеченні високої рівночасности виконання задач (можливість породжувати тисячі й навіть мільйони підпроцесів).

Початковий код проєкту поширюються під ліцензією MIT.

Історія

Робота над мовою була розпочата працівником Mozilla Ґрейдоном Гоаром 2006 року як особистий проєкт. 2009 до розроблення підключилася Mozilla, а 2010 року мова була офіційно представлена на Mozilla Summit 2010. З 2021, після скорочень у Mozilla, розроблення здійснює окремий фонд Rust Foundation. Мову названо за назвою родини грибів іржа. 2010 року розроблення мови було переведено з попередньої версії компілятора, яка була написана мовою OCaml, на компілятор, який написаний безпосередньо на Rust, з використанням LLVM як бекенду. 2011 року новий компілятор успішно скомпілював сам себе.

Перший стабільний випуск мови Rust 1.0 відбувся 15 травня 2015 після п'яти років розроблення, він ознаменував повну стабілізацію програмних інтерфейсів усіх бібліотек і мовних конструкцій. У процесі підготовки гілки Rust 1.0 програмні інтерфейси та можливості мови піддалися значному огляду, після якого типово залишені лише повністю готові до застосування можливості, реалізація яких не змінюватиметься надалі. Усі інші особливості переведені в розряд експериментальних і винесені зі стандартного постачання.

Опоруч Mozilla Research розвиває експериментальний браузерний рушій Servo, написаний мовою Rust з підтримкою багатопотокового рендерингу вебсторінок і розпаралелюванням операцій з DOM, а компанія Samsung займається його портуванням на Android та ARM процесори.

Огляд

За структурою, мова Rust нагадує C++, але істотно відрізняється в деяких деталях реалізації синтаксису та семантики, а також орієнтацією на блочну організацію структури коду, яка дозволяє реалізувати завдання, подібно до легковагих співпрограм. Автоматичне керування пам'яттю позбавляє розробника необхідності маніпулювання вказівниками й захищає від проблем, що виникають через низькорівневу роботу з пам'яттю, таких як звернення до ділянки пам'яті після її звільнення, розіменовування нульових вказівників, вихід за межі буфера тощо. Rust підтримує суміш імперативних, процедурних і об'єктно-орієнтованих методів з такими парадигмами, як функційне програмування і модель акторів, а також узагальнене програмування і метапрограмування, у статичних і динамічних стилях.

Синтаксис та особливості

Особливості мови

Базові можливості мови:

Орієнтація на безпеку

• Дбала робота з пам'яттю — жодних нульових і завислих вказівників. Автоматичне керування пам'яттю без збирача сміття, самими гарантіями компілятора («контролер позичань»);
• Контроль мінливості. Об'єкти усталено немінливі (англ. immutable);
• Безпека динамічного виконання: обробка збоїв, винятки, ведення лоґу, RAII/dtors;
• Typestate: можливість визначення складних інваріантів, що контролюють структури даних.

Орієнтація на рівночасність і ефективність коду

• Явне керування пам'яттю, керування схемою розподілу пам'яті;
• Украй легкі задачі, що формуються як співпрограми. Легкість у породженні тисяч і мільйонів підпроцесів;
• Ітератори стека (фактично лямбда-блоки без розподілу купи);
• Статична, нативна компіляція зі створенням виконуваних файлів ELF, Portable Executable, Mach-O;
• Прямий і простий інтерфейс для коду на мові Сі.

Орієнтація на практичне застосування

• Мультипарадигмальна, функційна, імперативно-процедурна, підтримка паралельної моделі акторів;
• Функції вищого порядку зі зв'язуванням;
• Немає іменних типів чи ієрархії типів;
• Багатоплатформна, підтримується Windows, Linux, macOS, *BSD;
• Зберігання рядків у UTF-8, різноманітність низькорівневих типів;
• Працює з наявними нативними наборами інструментів: GNU Debugger, Valgrind, Shark тощо;
• Практична можливість порушення правил: можливість ігнорування правил безпеки, якщо чітко вказано, коли і як їх порушувати.

Володіння і контролер позичань

Виразною особливістю Rust є система володіння даними, забезпечена частиною компілятора, що зветься контролером позичань (англ. borrow checker). Позичанням зветься створення посилання.

Правила володіння і позичання:

• дані завжди ініціалізовані;
• у даних кожну мить може бути лише один володілець (змінна);
• під час знищення володільця (наприклад, під час виходу з області видимості) дані звільняються;
• на дані може бути кілька немінливих посилань;
• на дані може бути лише одне мінливе посилання, якщо немає немінливих.

Контролер позичань являє собою чи не найскладніше, з чим доводиться стикатися новим розробникам Rust. Він забороняє дуже багато практик, до яких можна легко звикнути в інших мовах програмування; натомість він захищає програміста від багатьох поширених в інших мовах помилок, таких як суперечності в даних (одна частина програми не може їх змінити, коли на них є посилання з іншої частини), зміна ітерованого об'єкта під час ітерації, гонитва даних і т. д.

Риси

Риси (також іноді трейти, типажі, англ. traits) є однією з виразних особливостей Rust. Риси загалом нагадують інтерфейси в мовах програмування, що підтримують ООП, і позначають спільну поведінку різних типів.

Типи даних

Примітивні типи

Примітивні типи мови Rust

Тип	Опис	Приклад
i8 i16 i32 i64 i128	Знакові цілі числа, до 128 біт Число в назві типу позначає розмір у бітах	7 7i128
u8 u16 u32 u64 u128	Беззнакові цілі числа, до 128 біт Число в назві типу позначає розмір у бітах	14 14i128
isize usize	Цілі числа розміром із вказівник (розмір залежить від платформи)	14isize -2usize
f32 f64 f128	Числа з рухомою комою	-3f32
char	Символ (займає 4 байти)	'a' '语' '🦀' '\u{200D}'
str	Рядковий зріз Рядки мають кодування UTF-8 зі змінним розміром символу, тому до них неможливо звертатися за індексом Часто зустрічається у своїй позиченій формі &str	"Hello" "3" "🦀🦀🦀"
bool	Булевий тип (займає 1 байт)	true false
[T]	Зріз — динамічно змінюване представлення в суміжній послідовності	[1, 2, 3, 4, 5][..i] "Hello, world!".as_bytes() vec![1, 2, 3].as_slice()
!	Тип «ніколи»	let x = { return 123 };

Складені типи

Складені типи мови Rust

Тип	Опис	Приклад
(T, U, …)	Кортеж — скінченна неоднорідна послідовність Доступ до елементів здійснюється через оператор крапка з числом, наприклад tuple.0 — нульовий елемент кортежу	() (Порожній кортеж, одиничний тип у Rust) (5,)
[T; N]	Масив — колекція з N об'єктів одного типу T, що зберігаються в суміжній пам'яті Індексування здійснюється через дужкову нотацію, наприклад array[0]	[i64; 10] (масив з 10 чисел типу i64)

Типи зі стандартної бібліотеки

Типи зі стандартної бібліотеки мови Rust

Тип	Опис	Приклад
String	Динамічний рядок, що зберігає дані в купі	String::new() String::from("Hello") "🦀🦀🦀".to_string()
Option<T>	Тип-опція	None Some(3) Some("hello")
Result<T, E>	Обробка помилок	Result::Ok(3) Result::Err("something went wrong")
Vec<T>	Вектор (динамічний масив)	Vec::new() vec![1, 2, 3, 4, 5]
VecDeque	Двобічна черга на основі циклічного буфера	let mut buf = VecDeque::new(); buf.push_back(3); buf.push_back(4); buf.push_back(5); assert_eq!(buf.get(1), Some(&4));
LinkedList<T>	Зв'язаний список	let mut my_list = LinkedList::new(); my_list.push_back('b'); my_list.push_back('c');
HashMap<K, V>	Геш-таблиця	let mut player_stats = HashMap::new(); player_stats.insert("damage", 1); player_stats.entry("health").or_insert(100);
BTreeMap<K, V>	Б-дерево	let mut solar_distance = BTreeMap::from([ ("Mercury", 0.4), ("Venus", 0.7), ]); solar_distance.entry("Earth").or_insert(1.0);
HashSet	Множина на основі геш-таблиці	let mut books = HashSet::new(); books.insert("A Dance With Dragons".to_string()); books.insert("To Kill a Mockingbird".to_string()); books.insert("The Odyssey".to_string());
BTreeSet	Множина на основі Б-дерева	let mut planets = BTreeSet::new(); planets.insert("Mars"); planets.insert("JUpiter");
BinaryHeap	Двійкова купа	let mut heap = BinaryHeap::new(); heap.push(1); heap.push(5); heap.push(2);

Вказівники

Вказівникові та посилальні типи мови Rust

Тип	Опис	Приклад
&T &mut T	Посилання (немінливі та мінливі)	let x_ref = &x; let x_ref = &mut x;
*const T *mut T	Вказівники (немінливі та мінливі) Розіменування вказівника є небезпечною (unsafe) операцією	let x_ptr = &x as *const T; let x_ptr = &mut x as *mut T;

Визначені користувачем типи

Визначені користувачем типи мови Rust

Тип	Опис
struct	Структура
union	Об'єднання — відповідник об'єднання C, де всі елементи розташовані в одному місці в пам'яті Оскільки компілятор не може гарантувати поточний стан об'єднання, звертатися до його полів — небезпечна (unsafe) операція
enum	Перелічуваний тип Схожий на union, але компілятор гарантує контроль за станом Украй виразний завдяки мовній конструкції зіставляння із взірцем

Приклади

Наведені нижче приклади є робочими під час збирання за допомогою стабільної версії компілятора Rust 1.63.0, видання 2021.

Hello world!:

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

Три версії реалізації функції пошуку факторіала: у рекурсивному та ітеративному способах:

// Умовна інструкція, що показує можливість неявного повернення значення (implicit return).
// На відміну від C++ і схожих мов, у Rust інструкція «if» насправді є виразом, і може повертати значення.
// Якщо у функції не вказано явного return, повертається останнє значення в тілі функції.
fn recursive_factorial(n: u32) -> u32 {
    if n <= 1 {
        1
    } else {
        n * recursive_factorial(n - 1)
    }
}

fn iterative_factorial(n: u32) -> u32 {
    // Змінні оголошуються ключовим словом `let`.
    // Ключове слово `mut` робить змінні мінливими (дозволяє змінюватися)
    let mut i = 1u32;
    let mut result = 1u32;
    while i <= n {
        result *= i;
        i += 1;
    }
    return result; // Явне повернення значення, на відміну від попередньої функції
}

fn iterator_factorial(n: u32) -> u32 {
    // Ітератори мають багато методів для трасформації
    // |accum, x| визначає анонімну функцію.
    // Оптимізації на кшталт вбудування тіла функції дозволяють інтервалу
    // і fold досягати продуктивності, подібної до iterative_factorial.
    (1..=n).fold(1, |accum, x| accum * x)
}

fn main() {
    println!("Recursive result: {}", recursive_factorial(10));
    println!("Iterative result: {}", iterative_factorial(10));
    println!("Iterator result: {}", iterator_factorial(10));
}

Показ вбудованих у Rust унікальних розумних вказівників, разом з типами-сумами та методами:

use IntList::{Node, Empty};

// Ця програма визначає рекурсивну структуру даних та реалізує для неї методи.
// Рекурсивні структури даних потребуть шару розіменування, який тут забезпечується
// унікальним вказівником, побудованим за допомогою конструктора `Box::new`. Вони
// аналогічні бібліотечному типу C++ `std::unique_ptr`, хоча й мають більше статичних
// гарантій безпеки.
fn main() {
    let list = IntList::new().prepend(3).prepend(2).prepend(1);
    println!("Sum of all values in the list: {}.", list.sum());
    println!("Sum of all doubled values in the list: {}.", list.multiply_by(2).sum());
}

// `enum` визначає тип-суму, що може бути одним з декількох різних видів значень під час виконання.
// Тут тип або не міститиме значення, або міститиме значення і вказівник на інший `IntList`.
enum IntList {
    Node(i32, Box<IntList>),
    Empty
}

// Блок `impl` дозволяє визначати методи для типу.
impl IntList {
    fn new() -> Box<IntList> {
        Box::new(Empty)
    }

    fn prepend(self, value: i32) -> Box<IntList> {
        Box::new(Node(value, Box::new(self)))
    }

    fn sum(&self) -> i32 {
        // Вирази `match` є типовим способом застосування зіставлення із шаблоном
        // і дещо схожі на інструкцію `switch` із C та C++.
        match *self {
            Node(value, ref next) => value + next.sum(),
            Empty => 0
        }
    }

    fn multiply_by(&self, n: i32) -> Box<IntList> {
        match *self {
            Node(value, ref next) => Box::new(Node(value * n, next.multiply_by(n))),
            Empty => Box::new(Empty)
        }
    }
}

Простий показ легковагих можливостей рівночасності Rust:

// Ця функція створює десять рівночасно виконуваних потоків.
// Для перевірки можете запустити програму кілька разів і побачити 
// зміну порядку, у якому виводяться повідомлення різних потоків.
fn main() {
    // Цей рядок немінливий і тому різні потоки можуть отримувати доступ до неї
    let greeting = "Hello";

    // Функція `scope` створює потоки, що не будуть знищені до кінця своєї роботи
    // аргумент анонімної функції - об'єкт типу `Scope`, який і триматиме потоки
    std::thread::scope(|s| { 
        for num in 0..10 {
            // `move` визначає захоплення за значенням
            s.spawn(move || { 
                // `println!` - це макрос, що формує виведення за форматним рядком під час компіляції
                // Макроси в Rust структурні (як у Scheme), а не текстові (як у C).
                println!("{greeting} from thread number {num}");
            });
        }
    });
}

Українська спільнота Rust

Існує і жваво розвивається українська гілка Rust-спільноти. Метою спільноти є популяризація Rust в Україні та розвиток спільноти навколо нього, запуск або сприяння розвитку всеукраїнських менторських та освітніх програм, залучення проєктів на Rust та пов'язаних з ними інвестицій в Україну.

Створено підбірку навчальних матеріалів, завершується робота над перекладом підручника.^[коли?]

Посилання

• Офіційний сайт
• Rust Language Wiki [Архівовано 10 лютого 2014 у Wayback Machine.]
• Електронний архів email листування Rust-dev [Архівовано 14 березня 2012 у Wayback Machine.]
• Основний репозиторій вихідних текстів та баг-трекер [Архівовано 3 вересня 2013 у Wayback Machine.]