编程界的新星 — Rust 凭什么被业界青睐（内附学习资源）

Rust 语言，作为一门充满活力的计算机编程语言，近年来逐渐成为业界的焦点。在 Stack Overflow 的年度开发者调查报告中，Rust 连续多年被评为“最受喜爱的编程语言”，越来越多的大公司如谷歌、微软、腾讯等都开始将其运用于各类项目中。

尽管 Rust 语言颇受欢迎，我们发现很多学生和初级程序员对它的了解仍显不足。作为一个使用 Rust 语言开发的开源数据库项目团队，我们希望能帮助更多人深入了解这门安全、高效的编程语言。因此，本文将向大家介绍 Rust 的起源、优势，并为有意学习 Rust 语言的朋友们提供一些我们认为还不错的学习资源。

Rust 语言是什么

由来

Rust 最初由 Mozilla 的员工 Graydon Hoare 开发，Mozilla 于 2009 年开始赞助该项目，作为正在进行的名为 Servo 的实验性浏览器引擎开发的一部分，并于 2010 年首次亮相。

Rust 的开发团队在 Mozilla 的帮助下，不断改进语言的设计和实现，直到 2015 年 Rust 1.0 正式发布。Rust 的设计灵感来自于 C++、C#、Haskell 和 Erlang 等多种编程语言，具有其它语言所不具备的一些独特特性。作为一门现代系统编程语言，其旨在提供内存安全、高性能和可靠性。

Rust 语法

Rust 的语法类似于 C++，它采用了一些现代编程语言的特性，如模式匹配、闭包和迭代器等，同时也继承了 C++ 的语法和底层系统编程能力。而为了解决 C++ 存在的内存安全问题和并发性问题，Rust 引入了一个严格的所有权模型和类型系统，能够在编译期间检测内存错误和数据竞争问题，从而确保程序的安全性和稳定性。

Rust 的优势

高性能

Rust 的高性能是指其能够在保持内存安全和语言特性丰富的前提下，提供接近于 C++ 的高性能表现。Rust 的高性能主要得益于其对于内存分配、多线程处理和零成本抽象等方面的优化。

如果把 Rust、C++ 和 Golang 比作三个要参加跑步比赛的运动员：

C++ 无疑是一位经验丰富的选手，他有很高的速度和灵活性。然而，C++ 需要自己负责“调整呼吸和心率”等许多事项（内存管理），这使得他在比赛中容易出错，导致失速或摔倒（内存泄漏、悬垂指针等问题）。

Golang 运动员则是一位新锐选手，其优势在于有一个智能的教练（垃圾回收器）在比赛中为他调整呼吸和心率。虽然这样可以避免很多失误，但是需要不断与教练沟通，这会减慢他的速度。

而 Rust 运动员则是一位全能选手。他借鉴了 C++ 运动员的速度和灵活性，同时又学会了像 Golang 一样在比赛前就制定好详细的计划（所有权、借用和生命周期等机制）。这使得 Rust 运动员在比赛中既能保持高速度，又能避免失误。

Source: Discord 上图是 Discord 进行的负载测试，明显可以看到用 Golang 的情况下，每隔一段时间系统就会有一个负载峰值，这就是垃圾回收器在作怪，而改成 Rust 实现之后，整体就平滑很多。同时在 Rust 版本中，延迟、CPU 和内存都要好一些。

可靠性

想象一下 Rust 和其他编程语言（如 C++）是两家餐厅，它们各自的可靠性是如何体现在食物制作过程中的呢？

C++ 餐厅制作食物的过程相对自由。厨师可以随意调整食材、烹饪方法和加工方式。虽然这样的灵活性可能带来很多创新，但在这个过程中，食物容易受到污染，比如厨师在切生鱼片时使用了切生肉的刀具，可能导致食物中毒。这就像 C++ 在处理内存和资源时，它的灵活性可能导致诸如内存泄漏、空指针解引用和数据竞争等问题。

而 Rust 餐厅则更加严格和规范。在制作食物的过程中，Rust 餐厅会对食材的来源、厨师的操作、烹饪方法等进行严格的监管。比如，它会要求在切生鱼片之前，厨师必须先换一把干净的刀具。Rust 餐厅的严格监管确保了食物质量和安全性，减少了因为疏忽而导致的问题。

Rust 在编译阶段通过借用检查器（Borrow Checker）进行内存安全检查，确保在内存操作过程中遵循严格的规范。通过编译时的检查减少程序运行时的错误，从而提高了整体的代码质量和安全性。

内存安全

Rust 的内存安全优势在于，这些机制会在编译阶段就检查程序的内存管理是否正确，防止程序员在编写代码时犯下诸如内存泄漏、双重释放和悬垂指针等错误。

这就像餐厅的管理者预先规划了菜肴的烹饪和清理流程，确保餐厅始终保持卫生和高效。因此，相较于其他编程语言，Rust 更能确保内存安全和程序的稳定性。

我们尝试写点代码看看，下面是一个错误的示例：

rust

fn main() {
    let r;

    {
        let x = 5;
        r = &x;
    }

    println!("r: {}", r);
}

在上述这段代码中，我们在外部作用域中定义了一个 r。在内部作用域中，定义了 x，并把 x 的引用赋值给了 r，最后我们在外部作用域中访问了 r。

我们尝试编译下上述代码，Rust 编译器会给出详细的错误信息。如下所示：

rust

error[E0597]: `x` does not live long enough
 --> src/main.rs:6:13
  |
5 |         let x = 5;
  |             - binding `x` declared here
6 |         r = &x;
  |             ^^ borrowed value does not live long enough
7 |     }
  |     - `x` dropped here while still borrowed
8 |
9 |     println!("r: {}", r);
  |                       - borrow later used here

For more information about this error, try `rustc --explain E0597`.
error: could not compile `safe_memory` (bin "safe_memory") due to previous error

那为什么是错误的？上面的报错信息就已经很详细了，我们复述一下。因为变量 x 并没有 “存在地足够久”。当 x 到达第七行时，就离开了作用域，会被 drop 掉，此时外部作用域的 r 就变成了悬垂引用，所以在第 9 行访问 r 时，就会报错。

如果去掉第九行的话，编译就会通过。因为编译器知道在 x 被 drop 之后，没有地方可以再访问到悬垂引用 r 了。

小结一下：Rust 的一个重要特性是内存安全，Rust 编译器在编译期间会检查程序中的内存安全问题，并尽可能让这些问题在编译期暴露出来，从而避免运行时出现内存错误。

并发安全

Rust 的并发安全是指其能够在多线程环境下保证线程安全，避免出现数据竞争和死锁等问题。Rust 的并发安全主要依靠其所有权、借用机制及生命周期，当一个值被多个线程引用时，Rust 会阻止这些线程同时访问这个值的可变引用，从而避免了数据竞争问题。

下面这个 demo 演示了如何使用 Rust 中的原子类型来实现一个线程安全的累加器。

rust

use std::sync::{
    atomic::{AtomicI32, Ordering},
    Arc,
};

fn main() {
    let counter = Arc::new(AtomicI32::new(0));
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..10 {
        let counter = counter.clone();
        let handle = std::thread::spawn(move || {
            for _ in 0..1000 {
                counter.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
            }
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
    // the result should be 10*1000=10000 
    println!("Counter value: {}", counter.load(Ordering::Relaxed));
}

Rust 生态

Rust 语言虽然没有 JAVA、C++ 那么成熟，但近年来它周边的生态系统也在不断发展，已经拥有了很多库和框架。一些 Rust 周边生态中的主要部分有：

包管理器：Cargo 是 Rust 的官方包管理器，用于构建、测试、发布 Rust 应用程序和库。

Web 开发：Actix 和 Rocket 是 Rust 中最受欢迎的 Web 框架，提供了构建高性能、安全的 Web 应用程序所需的功能。

异步编程：Tokio 和 async-std 是 Rust 中用于异步编程的两个主要库，提供了异步 I/O，定时器和任务调度等功能。

操作系统开发：Rust 在操作系统开发方面也具有潜力，Redox 是一个用 Rust 编写的微内核操作系统，代表了 Rust 在系统编程领域的实力。

这只是 Rust 生态系统中的一部分。随着 Rust 社区的不断发展，可以期待更多的库和框架会出现。

Rust 学习渠道

除了在 Rust 的官方 GitHub 入门之外，还可以通过以下书籍进行学习，这些书籍涵盖了从基础到高级的 Rust 知识，适合不同水平的读者阅读。

入门
- The Rust Programming Language
- Programming Rust
中级
- Rust for Rustaceans
- Rust Atomics and Locks
- The Rust Reference
高级
- The Rustonomicon

当然也可以看 Rust 专家的视频讲解，比如：

Jon Gjengset（youtube.com/c/jongjengset），这是一位讲解 Rust 语言的博主，同时他也是麻省理工学院的教授，他的视频内容会更加进阶，适合已经有一定 Rust 语言基础的受众。

入门之后，还可以通过一些练手项目更深入地学习和使用 Rust，比如：

Tokio，一个异步的运行时用于编写高性能的网络应用程序
Serde，一个用于序列化和反序列化 Rust 数据结构的库
Diesel，一个 Rust 的 ORM（对象关系映射）库，用于将 Rust 数据结构映射到关系型数据库中

这些项目都可以帮你在 Rust 的使用方面更加精进。

当然，你也可以选择我们的 GreptimeDB 项目进行练习，GreptimeDB 是用 Rust 语言编写的开源时序数据库项目。我们提供了一系列适合新手的 good first issues，欢迎前往 GitHub 查看我们的项目。

总结

在 1.0 发布前，Rust 断舍离了内部的 green threads 实现，彻底坚定了这门语言作为一个无运行时、低抽象层级的设定。即便是之后标准库引入了异步 Future API，这一特色仍然保持。

低抽象级别带来的更细更强的控制力，使得 Rust 开发者可以更精准地控制资源（线程、内存），非常适合诸如服务器、数据库等场景的开发，直接对标 C++ 的传统领域。但控制力的背面是高风险，C++ 因其风险性广受诟病，也促使 Mozilla 选择尝试新语言。与之前 20 年中诸如 Java 、Go 等通过牺牲控制力降低风险的解决方案不同，Rust 选择用编写和编译时的强限制，比如让人又爱又恨的 borrow checker 和 lifetime ，保全了运行时的高性能和安全性。

当然，代价是相对陡峭的学习曲线和较长的编译时间。在这方面，Rust 在早期就成立了工具团队，持续在用更好的开发工具来降低其负面影响。