系統程式設計中的 Rust：為什麼開發人員選擇 Rust 而不是 C 和 C

系統程式設計中的 Rust：為什麼開發者選擇 Rust 而不是 C 和 C

日期：5-1-25

簡介

系統程式設計長期以來一直由 C 和 C 主導。幾十年來，這些語言一直是作業系統、嵌入式系統和效能關鍵型應用程式的支柱。然而，Rust 的興起打破了這一格局，提供了一種將性能與安全性結合的現代替代方案。在本文中，我們將探討為什麼開發人員越來越多地選擇 Rust 而不是 C 和 C 進行系統編程。

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什麼是系統程式設計？

系統程式設計涉及創建與硬體和系統資源密切互動的軟體。這包括：

1. 作業系統：管理硬體和軟體資源。
2. 裝置驅動程式：啟用硬體設備和作業系統之間的通訊。
3. 嵌入式系統：適用於資源受限的硬體設備的軟體。
4. 效能關鍵應用程式：遊戲、資料庫和科學計算。

系統程式設計的需求需要效率、對硬體的控制和可預測的效能——這些都是 C 和 C 語言擅長的領域。然而，這些語言存在記憶體安全問題和未定義行為等缺陷，導致開發人員尋求更好的替代方案。

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為什麼要生鏽？

Rust 為系統程式設計中固有的許多挑戰帶來了創新的解決方案。以下是開發人員做出轉變的原因：

1.沒有垃圾收集器的記憶體安全

C 和 C 語言讓程式設計師可以手動控制內存，但這種控制常常會導致緩衝區溢位、空指標取消引用和記憶體洩漏等錯誤。 Rust 的所有權模型透過在編譯時執行嚴格的規則來消除這些問題：

• 所有權和借用：確保在沒有運行時開銷的情況下管理記憶體。
• 沒有空指標或懸空指標： Rust 透過設計防止了這些常見的錯誤原因。
• 安全並發： Rust 確保執行緒安全，防止資料競爭。

2.現代工具與生態系

Rust 提供了增強開發人員體驗的現代工具：

• Cargo： Rust 的套件管理器和建置系統使依賴管理變得無縫。
• Crates.io： 一個充滿活力的庫（或「板條箱」）生態系統，供開發人員使用。
• Rust 分析器： 用於程式碼完成、linting 等的高階語言伺服器。

C 和 C 語言依賴分散的工俱生態系統，這使得 Rust 的整合方法成為一個顯著的優勢。

3.無畏併發

並發是現代系統程式設計的基石，但在 C 和 C 中安全實現它是出了名的困難。 Rust 的所有權模型確保在編譯時擷取資料競爭。開發人員可以編寫並發程式碼，而不必擔心微妙的、難以調試的錯誤。

4.性能與 C 和 C 相當

Rust 的效能與 C 和 C 相匹配，因為：

• 零成本抽象：迭代器和特徵等功能不會產生執行時間開銷。
• 低階控制： Rust 允許對記憶體和硬體進行細粒度控制。
• LLVM 後端： Rust 使用 LLVM 進行程式碼產生可確保高度最佳化的二進位檔案。

5.開發人員生產力與可讀性

Rust 的語法和現代功能提高了開發人員的工作效率：

• 錯誤訊息： Rust 提供了詳細的、初學者友善的錯誤訊息。
• 模式匹配和特徵：這些功能使程式碼更具表現力且更易於理解。
• 安全第一：在編譯時捕獲錯誤可以減少偵錯時間。

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Rust 與 C 與 C：關鍵比較

功能 生鏽 C C 標題>

Feature	Rust	C	C
Memory Safety	Compile-time guarantees	Manual management	Manual management
Concurrency	Safe, fearless concurrency	Prone to data races	Prone to data races
Tooling	Integrated (Cargo, Rust Analyzer)	Fragmented	Fragmented
Performance	Comparable to C/C	High performance	High performance
Error Handling	Result and Option types	Error-prone (e.g., nulls)	Error-prone (e.g., nulls)
Learning Curve	Moderate	Steep	Steep

記憶體安全 編譯時保證 手動管理 手動管理 併發 安全、無畏的同時 容易出現資料爭用 容易出現資料爭用 工具 整合（Cargo、Rust 分析器） 支離破碎 支離破碎 性能 與 C/C 相當 高性能 高性能 錯誤處理 結果和選項類型 容易出錯（例如空值） 容易出錯（例如空值） 學習曲線 中 陡峭 陡峭 表>

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在系統程式設計上採用 Rust

許多重大專案都採用 Rust 進行系統程式設計：

1. Linux 核心： Rust 現在是官方支援的核心開發語言。
2. Firefox： Mozilla 的 Servo 引擎和 Firefox 的部分內容是用 Rust 寫的。
3. AWS Nitro Enclaves： 使用 Rust 實現安全、隔離的運算環境。
4. 作業系統： 像 Redox 這樣的新興作業系統專案完全是用 Rust 寫的。
5. 嵌入式系統： Rust 因其安全性和效能而被物聯網和機器人技術採用。

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使用 Rust 的挑戰

雖然 Rust 有很多優點，但它也並非沒有挑戰：

• 學習曲線：所有權模式對新手來說可能很難掌握。
• 生態系成熟度：雖然發展迅速，但 Rust 的生態系仍比 C 和 C 年輕。
• 社區規模： 與 C 和 C 相比較小，儘管這種情況正在改變。

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結論

Rust 將自己定位為系統程式設計的現代選擇，解決了 C 和 C 語言的缺點，同時保留了它們的效能和控制能力。透過優先考慮記憶體安全、無畏並發和開發人員生產力，Rust 使開發人員能夠建立可靠、高效能的系統，同時減少錯誤並縮短開發週期。

對於那些考慮系統程式設計的人來說，學習 Rust 不僅僅是一項面向未來的投資，它還是通往更安全、更有效率的軟體開發的門戶。

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