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一名C++程序员的Rust入门初体验
 
作者:吴强强(去鸿)
  936  次浏览      22 次
 2023-4-6
 
编辑推荐:
本文主要讲述了对Rust的看法和Rust与C++的一些区别。 希望能为大家提供一些参考或帮助。
文章来自于微信公众号阿里开发者,由火龙果Linda编辑推荐。

背景

S2在推进团队代码规范时,先后学习了盘古编程规范,CPP core guidelines,进而了解到clang-tidy,以及Google Chrome 在安全方面的探索。

C++是一个威力非常强大的语言,但是能力越大,责任越大,它的内存安全性问题一直饱受诟病。NSA甚至明确提出,停止使用C++这种内存不安全的语言。

C++本身的确提出了一系列改进方案,但是迟迟不见落地。Bjarne对于NSA挑战给出的方案也只能部分解决问题,并且看起来落地也是遥遥无期。

Rust作为一个新晋语言,是Mozilla应对内存安全性问题发明的新语言(之前它也是使用C++的),Linux和Chrome都开始先后接纳了它,Tikv与大部分区块链项目,在第一天就选择了它。

遇到若干次内存踩坏问题后,我有了了解Rust的冲动。

C++代码中的风险

这张图是Chrome团队发布的Chrome的代码被攻击的Bug类型的分布,可以看到,内存安全性占了一半以上。

Temporal safety: 简单来说就是use after free

Spatial safety: 简单来说,就是out of bound访问

Logic error

DCHECK: 简单来说,就是debug assert的条件在release版本中被触发了

其他不多展开。

Rust初体验

初体验Rust,实际上更多的是感觉到它的一些小设计非常甜,它会让我们的编程很舒服。

简单来说,所有C++通过Best Practice/Effective C++/...等推行的写法,Rust全部是编译器强制的。

默认不可变

Rust中,所有变量是默认不可变的,可变需要额外的typing。这与C++是完全相反的。然而,这与C++ Core Guidelines中的推荐却是一致的。

let x = 0;x = 10;  // error
let mut y = 0;y = 10; //ok

 

禁止整数隐式转换

fn foo(x: u32) {}
let x: i32 = 0;foo(x); // error

 

Be explicit,这条软件界的普遍规则,在C/C++中却是完全不适用,真是反直觉。

简化构造、复制与析构

C++中的Rule of 3 or 5 or 6可谓是大名鼎鼎,我们无数次需要写以下代码

class ABC{public:    virtual ~ABC();
ABC(const ABC&) = delete;
ABC(ABC&&) = delete;

ABC& operator=(const ABC&)
= delete;
ABC&
operator
=(ABC&&) = delete;
};

 

明明是一件非常常规的东西,写起来却那么的复杂。

Rust非常简单,所以对象默认只支持Destructive move(通过memcpy完成)。需要复制,要类显式实现Clone trait,复制时写.clone(), 对于trivial对象,期望能通过=来隐式copy,要显式实现Copy,实现Copy时,不允许类再实现Drop(即析构函数)。

fn main(){    // String类似std::string,
只支持显式clone,不支持隐式copy

let s: String = "str".to_string();

foo(s); // s will move
// cannot use s anymore

let y = "str".to_string();
foo(y.clone());

// use y is okay here}
fn foo(s: String) {}
// can only be passed by movestruct
Abc1
{ elems: Vec<int>}
// can use abc.clone() to
explicit clone a new Abc
#[derive
(Clone)]
struct Abc2{ elems: Vec<int>}
// implement custom destructor
for Abc
impl Drop for Abc2 { // ...}
// foo(xyz) will copy, 不能
再定义Drop/析构函数,
因为copy和drop是互斥的

#[dervie(Clone, Copy)]

struct
Xyz
{ elems: i32}

 

比起C++的move,以及其引入的use after move问题,还有各种Best Practice,Rust的做法实在是高明了不少。

妈妈再也不用担心我会不小心copy一个有1千万元素的vector了。review时也再也不用纠结,这里到底是用值还是const&了。

显式参数传递

C++中函数参数传递的Best Practice能写一堆,in/out/inout参数如何处理也没有一个明确的规范。Rust则简化了参数传递,并且将一切由隐式转变为显式。

let mut x = 10;
foo(x); // pass by move, x cannot
be used after the call
foo(&x);
// pass by immutable reference
foo
(&mut x); // pass by mutable reference

 

统一的错误处理

错误处理一直是C++中一个非常分裂的地方,截止C++23,目前C++标准库中,有以下用于错误处理的功能:

errno

std::exception

std::error_code/std::error_condition

std::expected

看,连标准库自己都这样。std::filesystem,所有接口都有至少两个重载,一个抛异常,一直传std::error_code。

Rust的方案与Herb提出的static异常类似,并且通过语法糖,让错误处理非常容易。

enum MyError{    NotFound,    DataCorrupt, 
Forbidden,
Io(std::io::Error)}
impl From<io::Error> for MyError {
fn from(e: io::Error) -> MyError {

MyError::Io(e) }}
pub type Result<T> = result::Result<T, Error>;
fn main() -> Result<()>{ let x:
i32 = foo()?;
let y: i32 = bar(x)?;
foo(); // result is not
handled, compile error

// use x and y}
fn foo() -> Result<i32>{
if (rand() > 0) {

Ok(1)
} else {
Err(MyError::Forbidden)
}}

 

错误处理一律通过Result<T, ErrorType>来完成,通过?,一键向上传播错误(如同时支持自动从ErrorType1向ErrorType2转换,前提是你实现了相关trait),没有错误时,自动解包。当忘记处理处理Result时,编译器会报错。

内置格式化与lint

Rust的构建工具cargo,内置了cargo fmt和cargo clippy,一键格式化与lint,再也不用人工配置clang-format和clang-tidy了。

标准化的开发流程和包管理

Rust最为C++程序员所羡慕的地方是,它有官方包管理工具cargo。C++非官方包管理工具conan目前有1472个包,cargo的包管理平台有106672个包。

cargo还原生支持了test与benchmark,一键运行

cargo testcargo bench

 

cargo规定了目录风格

benches  // benchmark代码
go here
srctests // ut go here

Rust在安全性的改进

上一节提的其实还是非致命的东西,Rust在内存安全方面的改进,才是让它与众不同的原因。

lifetime安全性

use-after-free是这个世界上最为著名的bug之一。解决它的方案一直以来都是依赖运行时检查,两个主要流派是GC与引用计数。而Rust在此之外引入了一种新的机制:Borrow Check。

Rust规定,所有对象都是有所有权的,赋值意味着所有权的转让。一旦所有权转让后,旧的对象将无法再被使用(destructive move)。Rust允许一个对象的所有权暂时被租用给其他引用。所有权可以租借给若干个不可变引用,或者一个独占的可变引用。

举个例子:

let s = vec![1,2,3];  // s owns
the Vec
foo(s); // the ownership
is passed to foo, s cannot be used anymore

let x = vec![1,2,3];let a1 = &x[0];
let a2 = &x[0]; // a1/a2
are both immutable ref to x

x.resize(10, 0); // error: x
is already borrowed by a1 and a2

println!("{a1} {a2}");

 

这种unique ownership + borrow check的机制,能够有效的避免pointer/iterator invalidation bug以及aliasing所引发的性能问题。

在此之上,Rust引入了lifetime概念,即,每个变量有个lifetime,当多个变量间存在引用关系时,编译器会检查这些变量之间的lifetime关系,禁止一个非owning引用,在其原始对象lifetime结束之后再被访问。

let s: &String;
{ let x = String::new("abc"); s = &x;}
println!("s is {}", s);
// error, lifetime(s) > lifetime(x)

 

这个例子比较简单,再看一些复杂的。

// not valid rust, for exposition 
only
struct ABC{ x: &String,}
fn foo(x: String){ let z =
ABC { x: &x };

consume_string(x); //
not compile, x is borrowed by z

drop(z); // call destructor explicitly

consume_string(x); // ok
// won't compile, bind a temp to
z.x
let z =
ABC { x: &String::new("abc") };
// use z
// Box::new == make_unique
// won't compile, the box object
is destroyed soon
let z = ABC{
x: &*Box::new(String::new("abc") };
// use z}

 

再看一个更加复杂的,涉及到多线程的。

void foo(ThreadPool* thread_pool){ 
Latch latch{2};

thread_pool->spawn([&latch] {
// ...
latch.wait();
// dangle pointer访问
});
// forget latch.wait();}

 

这是一个非常典型的lifetime错误,C++可能要到运行时才会发现问题,但是对于Rust,类似代码的编译是不通过的。因为latch是个栈变量,其lifetime非常短,而跨线程传递引用时,这个引用实际上会可能在任意时间被调用,其lifetime是整个进程生命周期,rust中为此lifetime起了一个专门的名字,叫'static。正如cpp core guidelines所说:CP.24: Think of a thread as a global container ,never save a pointer in a global container。

在Rust中,rust编译器会强制你使用引用计数,来显示说明共享需求(em...发现这句话问题的,已经是Rust高手了)。

fn foo(thread_pool: &mut ThreadPool){ 
let latch = Arc::new(Latch::new(2));

let latch_copy = Arc::clone(&latch);

thread_pool.spawn(move || {
// the ownership of latch_
copy is moved in

latch_copy.wait();
});
latch.wait();}

 

再看一个具体一些例子,假设你在写一个文件reader,每次返回一行。为了降低开销,我们期望返回的这一行,直接引用parser内部所维护的buffer,从而避免copy。

FileLineReader reader(path);
std::string_view<char> line = reader.
NextLine();
std::string_view<char
> line2 = reader.NextLine();

// opsstd::cout << line;

再看看Rust

let reader = FileReader::next(path);
let line = reader.next_line();
// won't compile, reader is
borrowed to line, cannot mutate
it now
let line2 = reader.next_line();
println!("{line}");

 

// &[u8] is std::span<byte>fn foo()
-> &[u8] {

let reader = FileReader::next(path);

let line = reader.next_line();

// won't compile, lifetime(line) >
lifetime(reader)
return line;}

 

总结来说,Rust定义了一套规则,按照此规则进行编码,绝对不会有lifetime的问题。当Rust编译器无法推导某个写法的正确性时,它会强制你使用引用计数来解决问题。

边界安全性

Buffer overflow以及out of bound访问也是一类非常重要的问题,这类问题相对好解,给标准库实现加下bound check就好了。Rust标准库会进行bound check。

这方面,C++稍微努力下,还是能避免的。

啥?bound check性能差。Em...看看Chrome发布的漏洞报告吧,人呢,还是不要太自信得好。毕竟,Bjarne都开始妥协了。Herb的slide中有对out of bound问题一些数字的说明。

类型安全性

Rust默认强制变量初始化,并且禁止隐式类型转换。

let i: i32;
if rand() < 10 { i = 10;}
println!("i is {}", i); // do
not compile: i is not always initialized

 

Rust的多线程安全性

如果说lifetime + ownership模型是Rust的安全核心的话,Rust的多线程安全性就是在此基础上结出的果实。Rust的多线程安全性,完全是通过库机制来实现的。

首先介绍两个基础概念:

Send: 一个类型是Send,表明,此类型的对象的所有权,可以跨线程传递。当一个新类型的所有成员都是Send时,这个类型也是Send的。几乎所有内置类型和标准库类型都是Send的,Rc(类似local shared_ptr)除外,因为内部用的是普通int来计数。

Sync: 一个类型是Sync,表明,此类型允许多个线程共享(Rust中,共享一定意味着不可变引用,即通过其不可变引用进行并发访问)。

Send/Sync是两个标准库的Trait,标准库在定义它们时,为已有类型提供了对应实现或者禁止了对应实现。

通过Send/Sync与ownership模型,Rust让Data race完全无法出现。

简单来说:

lifetime机制要求:一个对象要跨线程传递时,必须使用Arc(Arc for atomic reference counted)来封装(Rc不行,因为它被特别标注为了!Send,即不可跨线程传递)

ownership+borrow机制要求:Rc/Arc包装的对象,只允许解引用为不可变引用,而多线程访问一个不可变对象,是天生保证安全的。

内部可变性用于解决共享写问题:Rust默认情况下,共享一定意味着不可变,只有独占,才允许变。如果同时需要共享和可变,需要使用额外的机制,Rust官方称之为内部可变性,实际上叫共享可变性可能更容易理解,它是一种提供安全变更共享对象的机制。如果需要多线程去变更同一个共享对象,必须使用额外的同步原语(RefCell/Mutex/RwLock),来获得内部/共享可变性,这些原语会保证只有一个写者。RefCell是与Rc一起使用的,用于单线程环境下的共享访问。RefCell被特别标注为了!Sync,意味着,如果它和Arc一起使用,Arc就不是Send了,从而Arc<RefCell<T>>无法跨线程。

看个例子:假设我实现了一个Counter对象,希望多个线程同时使用。为了解决所有权问题,需要使用Arc<Counter>,来传递此共享对象。但是,以下代码是编译不通过的。

struct Counter{    counter: i32}
fn main(){ let counter = Arc::
new(Counter{counter: 0});

let
c = Arc::clone(&counter);

thread::spawn(move || {

c.counter += 1;
});
c.counter += 1;}

 

因为,Arc会共享一个对象,为了保证borrow机制,访问Arc内部对象时,都只能获得不可变引用(borrow机制规定,要么一个可变引用,要么若干个不可变引用)。Arc的这条规则防止了data race的出现。

为了解决这个问题,Rust引入了内部可变性这个概念。简单来说,就是一个wrapper,wrapper可以获得一个内部对象的可变引用,但是wrapper会进行borrow check,保证只有一个可变引用,或者若干个不可变引用。

单线程下,这个wrapper是RefCell,多线程下,是Mutex/RwLock等。当然,如果你尝试写这样的代码,也是编译不通过的

fn main(){    let counter = Arc::new
(RefCell::new(Counter{counter: 0}));

let c = Arc::clone(&counter);

thread::spawn(move || {

c.get_mut().counter += 1;
});
c.get_mut().counter += 1;}

 

为啥?因为RefCell不是Sync,即不允许多线程访问。Arc只在内部类型为Sync时,才为Send。即,Arc<Cell<T>>不是Send,无法跨线程传递。

Mutex是Send的,因此,可以这么写:

struct Counter{    counter: i32}
fn main(){ let counter = Arc::new(Mutex::
new(Counter{counter: 0}));
let c
= Arc::clone(&counter);

thread::spawn(move || {

let mut x = c.lock().unwrap();

x.counter += 1; });}

 

Rust的性能

作为C++的挑战者,更多的人会关注Rust的性能到底怎么样。Rust的官方哲学是zero cost principle,是不是和C++的zero overhead原则很像。当然,这个名字起的实际上没有C++好,毕竟,做事情就是有cost的,怎么可能是zero cost呢。

Rust添加了bound check,可能会比C++弱一点点,但也有限。同时Rust支持unsafe模式,完全跳过bound check。这让Rust的上限可以和C++持平。

另外,Rust禁止了很多conditionally正确的用法,也会有一定性能损失,比如跨线程必须shared_ptr(额外的动态分配)。

// for demo purpose
fn foo(tasks: Vec<Task>){
let latch = Arc::new(Latch::new(tasks.len() + 1));

for task in tasks {
let latch = Arc::clone(&latch);

thread_pool.submit(move || {

task.run();

latch.wait();
}); }
latch.wait();}

 

这里,latch必须用Arc(即shared_ptr)。

在某些场景下,Rust会比C++还快。优化圣经有言,阻碍编译器优化的两大天敌:

函数调用

指针别名

C++和Rust都可以通过inline来消除函数调用引起的开销。但是C++面对指针别名时,基本上是无能为力的。C++对于指针别名的优化依赖strict aliasing rule,不过这个rule出了名的恶心,Linus也骂过几次。Linux代码中,会使用-fno-strict-aliasing来禁止这条规则的。

不过,C好歹有__restricted__来救救命,C++程序员就只有god knows了。

而Rust通过所有权和借用机制,是能保证没有aliasing现象的。考虑下面这段代码

int foo(const int* x, int* y){    *y = *x + 1;
return *x;}

 

rust版本

fn foo(x: &i32, y: &mut i32) -> i32{    *y = *x + 1;
*x}

 

对应的汇编如下:

# c++__Z3fooPKiPi:    ldr    w8, [x0]    add  
w8, w8, #1
str w8, [x1] ldr w0, [x0] ret
# rust__ZN2rs3foo17h5a23c46033085ca0E: ldr
w0, [x0]
add w8, w0, #1 str w8, [x1] ret

 

看出差别没?

感想

最近尝试写了一些Rust代码,发觉体验真的不错。按照Rust社区的说法,使用Rust后,可以无畏地编程,再也不用担心内存错误与Data Race。

然而,对于大量使用C++实现的产品来说,C++是负债,更是资产。已经存在的C++生态很难向Rust进行迁移,Chrome也只是允许在三方库中使用Rust代码。

网上对于Rust与C++的争论也是十分激烈。从我的角度来说,

C++的安全性演进是趋势,但是未来很不明朗:C++在全世界有数十亿行的存量代码,期望C++在维持兼容性的基础上,提升内存安全性,这是一个几乎不可能的任务。clang-format与clang-tidy,都提供了line-filter,来对特定的行进行检查,避免出现改动一个老文件,需要把整个文件都重新format或者修改掉所有lint失败的情况。大概也是基于此,Bjarne才会一直尝试通过静态分析+局部检查来提升C++的内存安全性。

Rust有利于大团队协作:Rust代码只要能编译通过,并且没有使用unsafe特性,那么是能够保证绝对不会有内存安全性或者线程安全性问题的。这大大降低了编写复杂代码的心智负担。然而,Rust的安全性是以牺牲语言表达力而获得的,这对于团队合作与代码可读性,可能是一件好事。至于其他,在没有足够的Rust实践经验前,我也无法作出更进一步的判断。

   
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