Rust
Notizen zu Rust.
Zero-Overhead Abstractions
Rust bietet „Zero-Overhead Abstractions” an,
also Abstraktionen, die keine vermeidbaren
Laufzeitkosten aufweisen:
- die Kosten fallen nur an, wenn der Entwickler die Abstraktionen explizit verwendet.
- die Kosten sind nicht größer, als wenn der Entwickler die Abstraktionen selbst programmieren
würde.
Leider wird dies gelegentlich auch „Zero-Cost” genannt, was häufig zum Missverständnis
führt, dass überhaupt keine Laufzeitkosten entstehen.
Beispiele für Zero-Overhead Abstractions in Rust:
- Allokation: der Entwickler kann steuern, ob Allokation auf dem Heap oder dem Stack erfolgt
- Dispatch: der Entwickler kann steuern, ob
Dynamic Dispatch oder
Static Dispatch verwendet wird.
- Es gibt keine erzwungene Bindung an Laufzeitumgebungen für:
- Garbage Collection:
die Buchhaltung des Speichers erfolgt grundsätzlich zur Kompilierzeit.
- Green Threads: solche Laufzeitumgebungen sind
in optionalen Libraries umgesetzt.
minimale Standard Library
Rust bietet bewusst nur eine minimale Standard Library an.
Chancen:
- erlaubt Entwicklung von Crates, frei von den Stabilitätsgarantien der Standard Library
- erlaubt die Implementierung konkurrierender Ansätze
- Zufallszahlengeneratoren: TODO
- erlaubt Entwicklung von Crates, ohne alle von Rust unterstützten Plattformen berücksichtigen zu müssen
Risiken:
- geeignete Crates können nicht immer einfach gefunden und bewertet werden
- externen Entwicklern muss vertraut werden
- Fragmentierung des Ökosystems, z.B. bei asynchronen Runtimes (smol, Tokio)
Beispiele für nicht optimalen oder ungewünschten Code in Standard Libraries anderer
Programmiersprachen:
- C:
- Java:
- java.util.Calendar, java.util.Date: TODO
- java.util.logging: TODO log4j
- PHP:
- inkonsistente Namenskonventionen für Funktionsnamen
- Python:
- asyncio: TODO curio, trio
- http.server: TODO Flask
- subprocess: TODO
- urllib, urllib2: TODO requests
- Rust:
Traits
Datentypen können mittels Traits gruppiert
werden. Traits können Methoden sowohl deklarieren, als auch default-implementieren.
Member können in Traits nicht definiert werden.
Implementierung
Traits werden für einen Datentyp entweder in einfachen Fällen automatisch mittels
derive oder manuell
mittels impl Trait for Datentyp { ... } implementiert.
Trait-Deklarationen und -Implementierungen können sich in unterschiedlichen Crates befinden.
Die Orphan Rule
verbietet jedoch, dass ein Trait aus einem externen Crate für einen Datentyp aus einem externen
Crate implementiert wird.
Dadurch wird sichergestellt, dass es für jede Kombination aus Datentyp und Trait unmissverständlich
nur eine einzige Implementierung gibt.
Auto Traits werden mit dem Keyword auto markiert.
Der Compiler implementiert sie für jeden Datentyp automatisch, falls er es für angebracht hält.
Beispiele sind std::marker::Send und std::marker::Sync.
TODO: Blanket Implementations
Verwendung
Um eine Trait-Methode für einen Datentyp aufrufen zu können, muss neben dem Datentyp auch der Trait
importiert werden.
Methoden können auch als freistehende Funktion aufgerufen werden.
Ist z.B. die Methode A::f(&self, b: B) implementiert, so kann
sie für eine Instanz a von A nicht nur als a.f(b), sondern auch als A::f(a, b) verwendet
werden.
Polymorphismus
Trait-Methoden können nicht den Return-Wert impl Trait haben.
Statischer Polymorphismus
Von statischem Polymorphismus spricht man, falls Trait-Methoden aufgerufen werden und der Datentyp
zur Kompilierzeit bekannt ist: impl Trait.
Dynamischer Polymorphismus
Von dynamischen Polymorphismus spricht man, falls Trait-Methoden aufgerufen werden und der Datentyp
zur Kompilierzeit nicht bekannt ist: dyn Trait.
Da die Größe von dyn Trait zur Kompilierzeit nicht bekannt ist (!Sized), kann dyn Trait
alleine nicht genutzt werden. Stattdessen muss dyn Trait in einem Wide Pointer verpackt werden
(z.B. &dyn Trait, Box<dyn Trait>, Arc<dyn Trait> etc.). Diese Wide Pointer werden
Trait-Objekte genannt und enthalten neben der Adresse des Datentyps auch eine Virtual Table mit den
Adressen der Methoden-Implementierungen.
Ein Trait-Objekt ist möglich, falls der Trait object-safe ist:
- er darf keine statischen Methoden enthalten
- keine Methode darf sich auf Self beziehen
- TODO
Einschränkungen:
- Upcasting von Traits eines Trait-Objekts ist nicht möglich.
- Clonen ist nicht möglich (Clone ist nicht object-safe). Als Workaround kann das Crate
dyn-clone genutzt werden.
Returnwert-Typ-Polymorphismus
TODO
Inheritance
Traits können automatisch vereinigt werden: trait C: A+B {}.
Datenstrukturen, sowie die für sie implementierten Methoden und Trait-Methoden können jedoch nicht
automatisiert vereinigt werden.
Trait Bounds
TODO
Bei generischen Typ-Parametern, Funktionsargumenten und -returnwerten, sowie bei Trait-Definitionen.
Mehrere Traits können nur dann als Trait Bound einer Closure oder eines Trait Objects verwendet
werden, wenn sie Auto Traits sind.
Marker Traits
Marker Traits haben keine Methoden. Sie für einen Datentypen zu implementieren, bedeutet lediglich,
den Compiler anzuweisen, diesen Datentyp besonders zu behandeln:
- std::marker::Copy: implementiert ein Datentyp Copy, so
kann er durch den Compiler implizit dupliziert werden.
- std::marker::Send: implementiert ein Datentyp Send, so
kann höchstens 1 Thread exklusiven Zugang haben.
- std::marker::Sized:
- ein Datentyp implementiert genau dann Sized, falls er eine zur Kompilierzeit
bekannte, endliche Größe hat.
Nur solche Datentypen können auf dem Stack abgelegt werden.
Für alle anderen können nur Pointer auf dem Stack abgelegt werden.
- Alle Typ-Parameter sind Sized, nicht jedoch bei Self in Traits, weil es Trait-Objekte
verhindert.
- Diese Einschränkung kann mit ?Sized entfernt werden.
- Generics durchlaufen Monomorphization/Reification, daher muss Self: Sized sein. TODO
- std::marker::Sync: implementiert ein Datentyp Sync, so
können mehrere Threads gleichzeitig geteilten Zugang haben.
Erfüllt ein Datentyp weder Send noch Sync, dann ist Zugang auf seine Instanz nur aus dem
Thread möglich, aus dem die Instanz stammt.
- std::marker::Unpin: TODO
Der Compiler validiert ggf. rekursiv, dass alle Bestandteile des Datentyps den Trait bzw. die Trait
Bounds erfüllen.
Ownership-Modell
Der kleinste Codebereich, in dem ein Datentyp instantiiert wird, ist der Besitzer (Owner) dieser
Instanz. Nur der Besitzer hat auf sie Zugriff.
Der Besitz (Ownership) kann durch einen Move auf andere Codebereiche übergehen:
- durch Bindung an Variablen (mittels Gleichheitszeichen oder
Pattern Matching)
- durch Übergabe als Argument an eine Funktion
- durch Übergabe eines Return-Werts einer Funktion oder eines Blocks an den Aufrufer
Zu jedem Zeitpunkt gibt es höchstens einen Besitzer.
Der Compiler stellt sicher, dass Bindungen des vorherigen Besitzers nach einer Übertragung nicht
mehr verwendet werden können.
Sobald Daten den besitzenden Codebereich verlassen, ohne dass sie von einem anderen Codebereich
übernommen wurden, sind sie ungenutzt und ihr Speicherplatz kann und wird durch den Compiler
freigegeben.
Dies gilt auch für andere Ressourcen, wie geöffnete Dateien, Netzwerkverbindungen oder Locks.
Da immer höchstens ein Codebereich vollen Zugriff hat, sind Fehler aufgrund gleichzeitigen Zugriffs
ausgeschlossen.
Clone, Copy
Die Besitzübertragung mittels Move ist außer bei primitiven Datentypen die Regel.
Falls das nicht gewünscht ist, können die Daten vor der Übergabe dupliziert (geklont) werden.
Somit wechselt nur das Duplikat den Besitzer.
Eine weitere Möglichkeit die Abgabe des Besitzes zu vermeiden ist das Borrowing (siehe nächster
Abschnitt).
Die Duplizierung erfolgt über den Aufruf der Methode
clone(), falls für den
Datentyp der Trait std::clone::Clone
implementiert ist.
Ist für den Datentyp hingegen der Marker Trait std::marker::Copy
implementiert, erfolgt die Duplizierung an den entsprechenden Stellen durch den Compiler implizit.
Ein expliziter Aufruf von clone() ist dann unnötig.
rust-clippy weißt auf solche und andere unnötigen Aufrufe von clone()
hin.
Der Compiler implementiert Copy mittels bitweisem Kopieren.
Bei Datentypen, wie String bzw. Vec, welche Pointer auf Bereiche im Heap halten, ist ein
bitweises Kopieren unzulässig, da die duplizierten Pointer zu Speicherfehlern führen würden.
Borrowing, Lifetimes
Die Einschränkungen des Ownership-Modells sind in vielen Fällen zu restriktiv.
Mittels Borrowing kann anderen Codebereichen temporärer Zugriff auf Daten gewährt (ausgeliehen)
werden, ohne dass der Besitz abgegeben werden muss.
Mittels Referenzen kann Zugriff auf zwei unterschiedliche Arten verliehen werden:
- &T: gewährt geteilten Zugriff
- &mut T: gewährt exklusiven Zugriff
TODO:
Eine Lifetime gibt an, wie lange eine Referenz eines bestimmten Speicherbereichs gültig ist.
Sie endet spätestens mit dem Drop der Daten, aber auch bereits mit einem Move.
Der Borrowchecker des Compilers stellt all dies sicher. Kann er nicht eindeutig erkennen, dass die
Lifetimes eingehalten werden, lehnt er den Code im Zweifel ab. Ein fälschliches Akzeptieren von Code
würde dessen Speichersicherheit gefährden.
Asynchronous Rust
TODO Informed polling, cooperative scheduling.
- Initialisierung: async-Funktionen und -Blöcke werden in eine State-Machine gewrappt. Der
Returnwert-Typ ist nicht T, sondern impl Future<Output=T> + '_.
- Verwendung: die externe Runtime arbeitet die State-Machine ab.
Der Compiler kann nicht überprüfen, ob der Executor zur Laufzeit nicht ungewollt blockiert wird.
Wenn async Funktionen rekursiv aufgerufen werden sollen, muss der Result-Typ geboxed werden.
Andernfalls hätte der Return-Wert-Typ - ähnlich wie bei rekursiven Enums oder Structs — unendliche
Größe.
Einschränkungen
- async Closures stehen in Stable Rust
noch nicht zur Verfügung
- Trait-Methoden können
noch nicht async sein.
Als Workaround kann das Crate async-trait verwendet
werden.
- Insbesondere ist async Drop noch nicht möglich.
Implizites vs. Explizites
Implizites
- async:
- Initialisierung: async-Funktionen und -Blöcke werden in eine State-Machine gewrappt. Der
Returnwert-Typ ist nicht T, sondern impl Future<Output=T> + '_.
- Verwendung: die externe Runtime arbeitet die State-Machine ab.
- Auto-Borrowing: TODO
- Auto Traits: Traits, die automatisch für Datentypen
definiert sind.
- Closures:
- Initialisierung: ein anonymer Struct wird erzeugt, welcher entweder die
gecapturten Werten enthält (falls mit move) oder Referenzen auf diese (falls ohne move).
- Verwendung: eine Methode eines der folgenden Traits wird aufgerufen:
std::ops::Fn,
std::ops::FnMut oder
std::ops::FnOnce aufgerufen.
- Coercion: Datentypen können implizit
in andere umgewandelt werden.
- Copy-Semantik: TODO
- Deref-Coercion:
deref()
aus dem Trait std::ops::Deref wird vom Compiler implizit aufgerufen.
- Destruktoren:
- Initialisierung: Drop-Glue wird erzeugt.
- Der Destruktor drop() wird
implizit aufgerufen, sobald der Wert out-of-scope geht.
- for-Schleifen: rufen implizit
die Methode into_iter() des
Traits std::iter::IntoIterator auf.
- Lifetime Elision: die Lifetime wird
implizit bestimmt und muss nicht definiert werden.
- Marker: Strukturen oder Traits, die alleine
durch ihre Verwendung, die Behandlung von Datentypen durch den Compiler verändern.
- Method Resolution:
TODO
- Move-Semantik: TODO
- Operatoren: TODO
- Panic: TODO
- Prelude: Definitionen, die automatisch im
Scope sind
- Reborrow: TODO
- Thread locals: TODO
Den Compiler nutzen
Mit bestimmtem Code kann man den Compiler dafür nutzen, Eigenschaften von Datentypen
entweder zu bestätigen oder mittels Fehlermeldungen zu erklären.
Erklären lassen:
Sicherstellen:
- die Lifetime des Datentyps A:
- fn assert_contravariance<'a>(a: A<'l>) -> A<'static> { a }
- fn assert_covariance<'a>(a: A<'static>) -> A<'l> { a }
- die Thread-Sicherheit des Datentyps A:
- fn assert_send<T: Send>() {}; assert_send::<A>();
- fn assert_sync<T: Sync>() {}; assert_sync::<A>();
- die Object-Safety des Traits T:
- fn assert_object_safety(a: Box<dyn T>) {}
Explizites
- Konstruktoren:
- Jede Funktion oder Methode, welche Instanzen eines Datentyps erzeugt und liefert, ist ein
Konstruktor. Namen wie new(), from_X(), with_X() sind lediglich Konvention.
- Ein Datentyp hat den Default-Konstruktor
default(),
falls der Trait std::default::Default für diesen Datentypen
implementiert ist.
- Destruktoren:
- Ein Datentyp hat den Destruktor
drop(), falls für den
Datentyp der Trait std::ops::Drop implementiert ist.
Smart Pointer
Smart Pointer erlauben, Einschränkungen des Borrow-Checkers zu umgehen.
nicht thread-safe
„Nicht thread-safe“ bedeutet in Rust, dass der Code nicht kompilieren würde, falls versucht wird,
nicht thread-safe Datenstrukturen zwischen Threads auszutauschen.
- im Modul std::cell:
- für interior Mutability (Veränderung via Referenzen & anstatt unique Referenzen &mut):
- falls etwa logisch immutable ist, technisch aber Mutation erfordert:
- Caching
- Zähler hochsetzen, z.B. in clone()
- die Signatur einer Trait-Methode erlaubt keine Mutation
- std::cell::Cell:
- gibt keine Referenzen heraus, der Wert wird beim Schreiben und Lesen kopiert
- => eher für kleine Datentypen
- verwendet intern UnsafeCell
- std::cell::RefCell:
- im Modul std::rc:
thread-safe
Kombinationen
- Arc<Mutex<T>>: TODO
- Rc<RefCell<T>>: TODO
Einschränkungen
Macros
TODO
Tests
Unit Tests
TODO
- Code Coverage:
- nur unter Linux: cargo tarpaulin --ignore-tests
Fuzzer
TODO
optimieren
die Kompilierung beschleunigen
- Abhängigkeiten:
- das eigene Projekt mittels Workspace/Crates und Features unterteilen
- nicht benötigte Abhängigkeiten komplett entfernen:
- eigene Abhängigkeiten:
- cargo tree: erleichtert zu erkennen, falls ein Crate in verschiedenen Versionen
gleichzeitig verwendet wird.
- cargo-udeps: findet unbenutzte eigene Abhängigkeiten
- Es empfiehlt sich, die eigenen Abhängigkeiten zu aktualisieren, da diese wiederum ihre
Abhängigkeiten optimiert haben könnten:
- cargo update
- cargo outdated: findet neuere Versionen der
eigenen Abhängigkeiten
- nicht benötigte Features von Abhängigkeiten nicht kompilieren
- Abhängigkeiten durch schlankere Altrnativen ersetzen:
- cargo check verwenden statt
cargo build
- in Cargo.toml im Abschnitt [profile.dev] definieren:
- split-debuginfo = "unpacked": TODO
- schnelleren Linker verwenden:
das Kompilat performanter und kleiner machen
- in Cargo.toml im Abschnitt [profile.release] definieren:
- codegen-units = 1: TODO
- lto = "fat": TODO
- -C target-cpu=native: TODO
- panic = "abort": TODO
- strip="symbols": TODO
- Benchmarken:
sicherer machen
- die direkt und indirekt verwendeten Crates überprüfen:
- nach Sicherheitslücken:
- nach ungewünschten Lizenzen:
- nach Benutzung von unsafe:..
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