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新智元报道
编辑:乔杨
【新智元导读】几十年来,程序员一直用C和C++编写关键系统,现在Rust正逐渐成为这类任务的首选。
在StackOverflow每年发布的开发者调查中,最流行的编程语言不是JavaScript就是SQL。
但除了流行程度,StackOverflow还设计了另一种指标:「期待和推崇程度」(Admired and Desired)。
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在这个指标上,Rust几乎是无可质疑的王者,已经连续7年高票当选「最受推崇的语言」。
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蓝色表示Desired,红色表示Admired
根据MIT科技评论的报道,有280万程序员使用Rust编写代码,微软、亚马逊等科技巨头都将其视为未来的关键。聊天平台Discord使用Rust来加速系统,Cloudflare使用它处理超过20%的互联网流量。
甚至美国政府也热衷于推广Rust编写的软件,以使其流程更加安全。
然而,这个诞生于2006年的语言,最开始只是个人开发者的业余项目;18年后的今天,它已经成为最热门的新语言之一。
电梯故障诞生的语言
许多软件项目的诞生,都可以追溯到某个被生活折磨到焦头烂额的程序员。Rust的故事也与此类似。
2006年,29岁的Graydon Hoare是Mozilla的一名程序员。有一天下班回家,突然发现电梯因为软件崩溃没法运行了。
这已经不是第一次了,但Hoare家恰好住在21楼。
他一边爬楼梯一边暗自恼火,「这太可笑了,我们这些搞计算机的人,甚至都没法造出一个不崩溃的电梯!」
作为程序员,Hoare很清楚问题所在——电梯等设备内部的软件通常都是用C或C++编写的,好处在于运行速度快,但也很容易意外引入内存错误,造成程序崩溃。
微软估计,其代码中70%的bug都是由于这些语言的内存错误引起的。
或许是被愤怒的情绪激起了创造力,爬完楼梯回到家中后,Hoare打开电脑,开始设计一种新的编程语言。
他希望这种语言能够编写出简洁、短小但运行速度快的代码,而且能从根本上杜绝内存错误。
Rust这个名字也与此有关,根据Hoare的描述,这是一种非常顽强的真菌,「为了生存而被过度设计」。
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即使已经在Mozilla打工10年,Hoare依然很有「极客精神」,在这个业余项目上孜孜不倦地投入了好几年的精力。但当他向同事们展示时,却得到了褒贬不一的反应。
有些回应比较热情,但得到的白眼更多:「这永远不会起作用的。」
但幸运的是,Mozilla高管们很感兴趣,他们意识到,Rust可以帮助构建更好的浏览器引擎。在浏览器这种复杂软件中,有很多机会出现危险的内存错误。
Rust如何站稳脚跟
如今,要设计出一种新的编程语言在技术上并不困难,很多程序员都会创建类似的小项目作为业余消遣。
但要想让一种语言真正得到社区认可、投入广泛使用,迈入知名编程语言的行列,与Python、JavaScript等并列,这个概率堪比小行星撞地球。
Rust到今天的发展历程,不仅源于其本身的技术特点,更离不开Mozilla和开源社区在背后的支持。
2009年,Patrick Walton放弃了编程语言方向的博士学习加入Mozilla,他依旧记得JavaScript的发明者Brendan Eich拉他参加Mozilla的一次会议:
「你为什么不来这个房间看看呢?我们会讨论Rust的一些设计决策。」
Walton认为Rust的理念十分不错,于是和Hoare开始共同进行开发。
这个不断壮大的团队后来也有资深工程师Niko Matsakis和Felix Klock等人的加入,两人都有研究内存和编程语言的学术经历,本科都毕业于MIT,并分别在ETH和东北大学获得了博士学位。
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Mozilla的高管意识到了Rust的价值,因此他们派了几名资深工程师参与该项目,包括Patrick Walton(1) 、Niko Matsakis(2)和Felix Klock(3),以及Manish Goregaokar(4),他目前负责 Rust的开发者工具团队
2009年,Mozilla决定正式赞助 Rust。虽然定位为开源语言,但Mozilla愿意雇用全职工程师来引导它的发展方向。
Rust小组接管了公司的一间会议室,Mozilla Research的联合创始人Dave Herman将这个房间戏称为「书呆子洞穴」,并在门外贴了一个标志。
Hoare估计,在接下来的10年里,Mozilla雇佣了十几名工程师全职从事Rust的开发工作。
根据Walton的回忆,在Rust的开发历程中,「每个人都感觉自己正在做一件非常伟大的事情」。
这种兴奋也蔓延到了Mozilla大楼之外。到2010年代初,Rust吸引了来自世界各地的志愿者。其中有些在科技巨头工作,还有一个主要贡献者是来自德国的高中生。
2010年在加拿大不列颠哥伦比亚省举行的Mozilla会议上,Eich向与会者表示,将会有一场关于实验性编程语言的演讲,「除非你是真正的编程语言迷,否则不要参加」。但最后,整个房间座无虚席。
Steve Klabnik从2012年开始加入Rust的开发工作,并在此后的10年时间中始终负责文档的编写。他表示,移除垃圾收集机制(garbage collection, GC)让Rust成为一种「更精简、更出色的语言」。
「不会有任何人将你称为为『菜鸟』,任何问题都不会被当成愚蠢的问题。」当时在Mozilla从事Rust工作的微软首席工程师Nell Shamrell-Harrington这样形容。
Shamrell-Harrington认为,这种社区氛围的部分原因是Hoare很早就发布的禁止骚扰的「行为准则」,要求每个Rust的贡献者都应该遵守。
Rust社区接受了这套准则,有长期成员表示,相比其他语言,Rust吸引了更高比例的少数群体。
不仅仅是程序员,连Rust的编译器都更加友好。在报错信息中,它会对bug进行描述,并礼貌地给出修复建议。
「当我犯错误时,C和C++的编译器会让我感觉自己是个糟糕的人,但Rust编译器更像是在指导你编写超级安全的代码。」
虽然Rust团队都是由真正的大佬组成,但开发过程依旧漫长而艰辛。
从2009年Mozilla将Rust纳入麾下开始,直到2015年,团队才最终发布了Rust的1.0「稳定」版本,它足够可靠,可供公司真正投入商用。
六年时间中,程序员们始终渴望发布demo,尽管编译器总是崩溃。
根据Walton的回忆,他经常在电脑面前弯腰坐好几个小时,Klabnik在发布前的2周时间内赶出了约45页的文档。
2015年5月15日,Rust终于问世,Mozilla的投资也很快得到了回报。
2016年,公司的一个开发小组发布了Servo,是一种用Rust构建的全新浏览器引擎;第二年,另一个小组用Rust重写了Firefox渲染CSS的部分,使使浏览器的性能得到了显著提升。
此外,浏览器中的处理MP4多媒体文件的代码曾被认为不安全、有恶意代码风险,也用Rust进行了重写。
除了Mozilla,也有越来越多的公司开始使用Rust,包括三星、Facebook、Dropbox等。很快,Rust就被用于编写重要的软件的核心。
2020年,Dropbox推出了新版本的「同步引擎」,负责在用户计算机和Dropbox云存储之间同步文件。
这个系统最初用Python编写,但随着规模扩展到数十亿个文件(以及数万亿个在线同步文件),工程师们用Rust重写了这些功能。
他们表示,Rust使这种复杂性的处理过程变得更容易,甚至令人愉快。
Rust发展速度之迅猛令人难以置信,不仅仅是IT行业,汽车和航空航天公司也开始采用Rust构建关键代码。
Dropbox的工程师Parker Timmerman预测,Rust将变得无处不在。
微软高管甚至公开暗示了许多科技公司在私下考虑的事情:新代码中将越来越多使用Rust,而越来越少地使用C和C++,最终可能完全弃用后者。
这种说法也许有点夸张,毕竟已经存在的C和C++代码不会立刻消失,而且还会继续运行数十年。
但如果Rust逐渐成为需要快速运行的裸机代码的首选,我们的软件环境将逐渐变得可靠,减少程序崩溃,减少不安全感。
前段时间的就已经向我们展示了,当今的计算机程序依旧有自己的「软肋」,而且一旦出现大规模的程序崩溃,会带来难以估量的破坏和损失。
根除内存错误
Rust之所以能用如此快的速度威胁到C和C++的地位,与语言本身的安全特性有非常密切的关系。
我们可以粗略地将计算机的动态内存想象为一块黑板,软件运行时,会不断地将少量数据写入黑板,同时跟踪数据的位置,并及时删除无用数据。
这个过程看似简单,但其实涉及到相当多的机制设计和工程决策,不同的编程语言会用不同的方式实现。
C或C++等比较古早的语言会给程序员更多权力,决定软件如何以及何时使用「黑板」。
这种能力相当有用:通过自行控制和分配动态内存,程序员可以设计出运行速度很快的软件,因此C和C++常用于编写「裸机」代码(bare-metal),即直接与硬件交互的代码。
Window、Linux和MacOS等操作系统的内核都是用C编写的,在没有操作系统的机器上,比如收银机或透析装置,也都在C或C++上运行。
但这种优势不是没有代价的。俗话说得好,「能力越大,责任越大」。
既然C/C++程序员有如此大的权力,能控制内存分配,自然也要仔细跟踪所有的内存写入和擦除过程。
误删内容,程序会崩溃;忘记及时删除内容,程序也会崩溃。此外,如果有密码、财务信息等敏感内容遗留在内存中,还会造成安全隐患,给黑客以可乘之机。
随着一段C或C++代码逐渐膨胀,即使是最细心谨慎的程序员也可能会犯很多内存错误,从而开发出一个充满bug的软件。
无人机公司Fusion Engineering的联合创始人Mara Bos同时兼任Rust Library团队负责人,她表示,「在C或C++中,你总是担心代码会随机爆炸。」
90年代,Java、JavaScript和Python等一系列新语言开始流行,它们采取了一种非常不同的方法进行内存自动管理——「垃圾收集器」(garbage collector, GC)。
在软件运行的同时,GC会每隔一段时间自动清理内存,大大减轻了程序员的压力。
但可想而知,这类语言虽然有更少的内存错误,但失去了这种细粒度的内存管理,程序也会运行得更慢,尤其是GC机制也会造成额外的负担。
就此,编程语言逐渐分出了两个阵营——如果对性能要求较高,或是在嵌入式设备上运行,就用C或C++;如果要开发web或移动应用程序,那就需要有GC机制的语言。
通过创建Rust,Hoare希望能区分这些方法之间的差异。用Rust编码时,程序员不需要手动管理数据在内存中的位置,编译器会自动帮你做到这一点,但同时也引入了许多严格的规则,规定程序内使用或复制数据的操作。
相比Python或JavaScript,这些规则更加繁琐,因此编码过程也更加困难,但可以保证程序的「内存安全」。
只要程序通过编译,就无需担心你的代码会存在意外的内存错误。
更重要的是,Rust还提供「并发安全」。在现代程序中,并发执行的多个线程可能会尝试同时修改同一块内存,
而Rust的内存系统会自动阻止这种情况。
整个2010年代初,Mozilla工程师和世界各地的Rust志愿者们逐渐打磨出了Rust的核心,也就是它管理内存的方式。
他们创建了一个「所有权」系统(ownership),规定每条数据只能由一个变量引用,并由编译器强制执行,这大大降低了出现内存问题的几率。
Mozilla工程师Manish Goregaokar如今负责Rust的开发者工具团队,他表示,Rust采用的许多技巧并不是什么新想法,其中大多都是几十年前的研究。但Rust工程师善于发现这些经过精心打磨的概念,并将其转化为实际可用的功能。
随着团队逐渐改进内存管理系统,Rust对GC的依赖逐渐减少,到2013年,开发团队就从Rust中彻底移除了GC组件。
然而,有些工程师认为Rust仍然保留了一些类似GC机制的元素,比如引用计数系统(reference counting),作为内存所有权机制的一部分。
没有垃圾清理机制,程序就不需要定期中断以清理内存,Rust的运行速度也随之加快,性能接近C和C++的水准,但保证了内存安全。
Rust在逐渐推广时展现出的高性能常常让工程师们为之振奋。
Discord的工程师们对Go的GC机制积怨已久,即使代码构建得非常仔细,没有垃圾可以收集,Go也依旧会两分钟暂停一次执行GC。
2020年,他们用Rust重写了系统,发现运行速度比原来提高了10 倍。
AWS的高管和工程师也越来越相信,Rust可以帮助他们编写更安全、更快的代码。
他们进行了相关的研究,发现相比Java,基于Rust的类似代码的耗电量可以减少一半,这就意味着可以用相同的设备运行2×的工作负载。
Rust能从业余项目逐渐发展至今天的成就,没有人比Hoare更感到惊讶。毕竟,大多数语言在正式面世之前,就已经半途而废了。
参考资料:
https://www.technologyreview.com/2023/02/14/1067869/rust-worlds-fastest-growing-programming-language/
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