About the Design of the Rust Language and Its Pros & Cons

03 Sep 2019 - Guanzhou Hu

Rust 作为一门新兴的 system programming 语言，其设计参考了各 system programming 语言的优劣势，以安全、同时快速为目标，开创了 compile-time 实现几乎一切安全检查的新颖的编程语言模式。可以说，Rust 承载了作者 Graydon Hoare 和新互联网时代逐渐关注起安全的众多开发者们的理想，也吸引了如 M 校前沿系统研究者们的关注（参考 PDOS 博士生 Jon Gjengset)。

对 Rust 的一些值得一看的评论

“对 Rust 语言的分析”：https://www.yinwang.org/blog-cn/2016/09/18/rust
“回应王垠的《对 Rust 语言的分析》”：https://www.jianshu.com/p/31087b6b2b86
“怎样看待 Rust 语言”：https://www.zhihu.com/question/20032903

Rust 最与众不同的特征 - Memory Management

Rust 语言在 system programming 领域之所以显得特别与众不同，最重要的一点就是整个 Memory Management 环节的设计：基于 Ownership + Borrowing + Lifetime 的 compile-time 内存管理。之所以说其与众不同，是因为这与其他任何传统 system programming 语言内存管理的机制选择完全不同：

C/C++：Let programmers manually manage pointers，and trust that programmers access them and free them correctly (otherwise will cause run-time errors)
Java 等：Run-time GC
Rust：基于 Ownership + Borrowing + Lifetime，(ideally) 不存在手动管理指针，但同时又是在 compile-time 时 borrow checker 就解析并插入合适的资源释放 routine 从而不存在 run-time GC

而 Rust 也是在 MM 这一方面才体现出其最重要的设计理念：安全，同时快速。即能在编译时检查出几乎所有安全问题，保证得到的代码 run-time error 尽可能少（所以才有 Rust program 只要通过了编译就基本是语义正确的笑言），同时又没有 GC 等等的运行时 overhead，对于编写 system-level 的项目来说是一种重大的进步。当然，这种选择也带来一些弊端，下文也会提及。

Rust 的优点

个人认为 Rust 有如下 5 条优点，是作为最新的 system programming 语言，参考已有语言的缺陷和自己的哲学，综合而来的：

基于 Ownership、Borrowing、Lifetime 的内存管理机制，如上节所述，是 Rust 最独特的特征，是实现 compile-time 安全性、尽可能减少 run-time error，同时保证运行高效的根基
基于 Option & Result 的空值和错误处理，保证了代码清晰的情况下，对空值和错误全面而安全地处理，也是 Rust 减少 run-time error 的重要保障之一
基于 Traits 的简洁而强大的 Generic 范型系统，语法简洁、清晰，没有冗余（带上复杂 Lifetime 之后似乎称不上清晰了…，但还是好过很多语言），也是 Rust 减少 run-time error 的重要保障之一
优秀的 Macro 宏定义机制，作为一门 system programming 语言，实现了相对比较强大的 meta-programming 能力，使代码简洁易懂，减少常用功能的代码冗余
完整、易用的工具链 & 凝聚力异常高的社区，使用 Cargo 做项目依赖管理，统一管理的社区 Crates hub（https://crates.io/），以及清晰的教程、完整而易读的文档

可以说，Rust 是一个好学生，学习到已有 system language 的各种不足，如 C/C++ 虽自由却让人头疼的 segfaults，Java 饱受诟病的 VM 和运行时 GC 的低效等，从而创造出一种新的语言设计哲学，走出一条与众不同的个性化的路线。正因如此，Rust 虽然不简单、领域相对小众，也能长居 Stackoverflow 最受喜爱的语言调查的榜首¹。

Rust 的缺点

同样的，好学生往往有自己的偏执的一面，不会是完美的，也有许多的缺陷。

与 C 的哲学（C Primer 中所言：完全信任 programmer，给予你充分的实现自由，但需要细心、严谨、有经验去实现，否则 segfault / memory leak 可以 de 到哭）截然相反，为了做到编译时捕捉大部分错误，给予了 programmer 很少的自由，真正触及底层的时候不得不用 unsafe / 暂时还无法有效实现，有时会令人感到束手束脚
不得不引入一些复杂规则（如 Lifetime）来 enable 它的 MM 设计，使得真正复杂 Rust 项目中的 coding 说不上很简洁，更说不上很易懂
上手需要对 CA、PL、OS 的充分理解和传统 system language 的足够经验，才能理解 Rust 的很多设计；萌新上来就学习 Rust 至少对我来说是完全不行的，反而一知半解，不理解为什么要设计成这个样子
Rust 把对 programmer 的时间要求从 debugging / performance tuning 上转移到了 “学习 Rust” 的过程上，在这个语言选择和项目迭代愈发灵活快速的时代，我不是很确定这是件好事还是坏事

References

https://insights.stackoverflow.com/survey/2019#technology-_-most-loved-dreaded-and-wanted-languages ↩

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