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那些C语言缺失的,我在Rust里找到了

[日期:2018-03-09] 来源:infoq.com  作者:Federico ,译者 Martin [字体: ]

Librsvg似乎已经到了这样的一个地步:直接将C语言开发的部分改用Rust要比继续使用C语言来得更加容易。更何况,它越来越多的代码已经使用了Rust。

近来,我在C语言和Rust之间来回切换。在我看来,C语言似乎变得更像老古董。

C语言挽歌

我大概在24年前就爱上了C语言。当时,我通过一本西班牙语版的“The C Programming Language”(第二版,作者是Brian Kernighan和Dennis Ritchie,所以有时候也用K&R来称呼这本书)来学习C语言。在这之前,我用过Turbo Pascal,它也有指针,也需要手动管理内存,而C语言在当时是新生事物,但十分强大。

K&R因其独特的文风和简洁明了的代码风格而闻名。它甚至还教你如何自己实现简单的malloc()和free()函数,这实在太有意思了。而且,这门语言本身的一些特性也可以通过自身来实现。

在接下来的几年,我一直使用C语言。它是一门轻巧的编程语言,使用差不多2万行代码实现了Unix内核。

GIMP和GTK+让我学会了如何使用C语言来实现面向对象编程,GNOME让我学会了如何使用C语言维护大型的软件项目。一个2万行代码的项目,一个人花上几周就可以完全读懂。

但现在的代码库规模已经不可同日而语,我们的软件对编程语言的标准库有了更高的期望。

C语言的一些好的体验

第一次通过阅读POV-Ray源代码学会如何在C语言中实现面向对象编程。

通过阅读GTK+源代码了解C语言代码的清晰、干净和可维护性。

通过阅读SIOD和Guile的源代码,知道如何使用C语言实现Scheme解析器。

使用C语言写出GNOME Eye的初始版本,并对MicroTile渲染进行调优。

C语言的一些不好的体验

在Evolution团队时,很多东西老是崩溃。那个时候还没有Valgrind,为了得到Purify这个软件,需要购买一台Solaris机器。

调试gnome-vfs线程死锁问题。

调试Mesa,却无果。

接手Nautilus-share的初始版本,却发现代码里面居然没有使用free()。

想要重构代码,却不知道该如何管理好内存。

想要打包代码,却发现到处是全局变量,而且没有静态函数。

但不管怎样,还是来说说那些Rust里有但C语言里没有的东西吧。

自动资源管理

我读过的第一篇关于Rust的文章是“Rust means never having to close a socket”(http://blog.skylight.io/rust-means-never-having-to-close-a-socket/)。Rust从C++那里借鉴了一些想法,如RAII(Resource Acquisition Is Initialization,资源获取即初始化)和智能指针,并加入了值的单一所有权原则,还提供了自动化的决策性资源管理机制。

  • 自动化:不需要手动调用free()。内存使用完后会自动释放,文件使用完后会自动关闭,互斥锁在作用域之外会自动释放。如果要封装外部资源,基本上只要实现Drop这个trait就可以了。封装过的资源就像是编程语言的一部分,因为你不需要去管理它的生命周期。
  • 决策性:资源被创建(内存分配、初始化、打开文件等),然后在作用域之外被销毁。根本不存在垃圾收集这回事:代码执行完就都结束了。程序数据的生命周期看起来就像是函数调用树。

如果在写代码时老是忘记调用这些方法(free/close/destroy),或者发现以前写的代码已经忘记调用,甚至错误地调用,那么以后我再也不想使用这些方法了。

泛型

Vec<T>真的就是元素T的vector,而不只是对象指针的数组。在经过编译之后,它只能用来存放类型T的对象。

在C语言里需要些很多代码才能实现类似的功能,所以我不想再这么干了。

trait不只是interface

Rust并不是一门类似Java那样的面向对象编程语言,它有trait,看起来就像是Java里的interface——可以用来实现动态绑定。如果一个对象实现了Drawable,那么就可以肯定该对象带有draw()方法。

不过不管怎样,trait的威力可不止这些。

关联类型

trait里可以包含关联类型,以Rust的Iterator这个trait为例:

pub trait Iterator {
  type Item;
  fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}

也就是说,在实现Iterator时,必须同时指定一个Item类型。在调用next()方法时,如果还有更多元素,会得到一个Some(用户定义的元素类型)。如果元素迭代完毕,会返回None。

关联类型可以引用其他trait。

例如,在Rust里,for循环可以用于遍历任何一个实现了IntoIterator的对象。

pub trait IntoIterator {
  /// 被遍历元素的类型
  type Item;
  type IntoIter: Iterator<Item=Self::Item>;
  fn into_iter(self) -> Self::IntoIter;
}

在实现这个trait时,必须同时提供Item类型和IntoIter类型,IntoIter必须实现Iterator,用于维护迭代器状态。

通过这种方式就可以建立起类型网络,类型之间相互引用。

字符串切割

我之前发表了一篇有关C语言缺少字符串切割特性的文章(https://people.gnome.org/~federico/blog/rant-on-string-slices.html),解释了C语言的这个痛点。

依赖管理

以前实现依赖管理需要:

  • 手动调用或通过自动化工具宏来调用pkg-config。
  • 指定头文件和库文件路径。
  • 基本上需要人为确保安装了正确版本的库文件。

而在Rust里,只需要编写一个Cargo.toml文件,然后在文件里指明依赖库的版本。这些依赖库会被自动下载下来,或者从某个指定的地方获取。

测试

C语言的单元测试非常困难,原因如下:

  • 内部函数通常都是静态的。也就是说,它们无法被外部文件调用。测试程序需要使用#include指令把源文件包含进来,或者使用#ifdefs在测试过程中移除这些静态函数。
  • 需要编写Makefile文件将测试程序链接到其中的部分依赖库或部分代码。
  • 需要使用测试框架,并把测试用例注册到框架上,还要学会如何使用这些框架。

而在Rust里,可以在任何地方写这样的代码:

#[test]
fn test_that_foo_works() {
  assert!(foo() == expected_result);
}

然后运行cargo test运行单元测试。这些代码只会被链接到测试文件中,不需要手动编译任何东西,不需要编写Makefile文件或抽取内部函数用于测试。

对我来说,这个功能简直就是杀手锏。

包含测试的文档

在Rust中,可以将使用Markdown语法编写的注释生成文档。注释里的测试代码会被作为测试用例执行。也就是说,你可以在解释如何使用一个函数的同时对它进行单元测试:

/// Multiples the specified number by two
///
/// ```
/// assert_eq!(multiply_by_two(5), 10);
/// ```
fn multiply_by_two(x: i32) -> i32 {
  x * 2
}

注释中的示例代码被作为测试用例执行,以确保文档与实际代码保持同步。

卫生宏(Hygienic Macro)

Rust的卫生宏避免了C语言宏可能存在的问题,比如宏中的一些东西会掩盖掉代码里的标识符。Rust并不要求宏中所有的符号都必须使用括号,比如max(5 + 3, 4)。

没有自动转型

在C语言里,很多bug都是因为在无意中将int转成short或char而导致,而在Rust里就不会出现这种情况,因为它要求显示转型。

不会出现整型溢出

这个就不用再多作解释了。

在安全模式下,Rust里几乎不存在未定义的行为

在Rust的“安全”模式下编写的代码(unsafe{}代码块之外的代码)如果出现了未定义行为,可以直接把它当成是一个bug来处理。比如,将一个负整数右移,这样做是完全可以的。

模式匹配

在对一个枚举类型进行switch操作时,如果没有处理所有的值,gcc编译器就会给出警告。

Rust提供了模式匹配,可以在match表达式里处理枚举类型,并从单个函数返回多个值。

impl f64 {
  pub fn sin_cos(self) -> (f64, f64);
}

let angle: f64 = 42.0;
let (sin_angle, cos_angle) = angle.sin_cos();

match表达式也可以用在字符串上。是的,字符串。

let color = "green";

match color {
  "red"  => println!("it's red"),
  "green" => println!("it's green"),
  _    => println!("it's something else"),
}

你是不是很难猜出下面这个函数是干什么用的?

my_func(true, false, false)

但如果在函数的参数上使用模式匹配,那么事情就会变得不一样:

pub struct Fubarize(pub bool);
pub struct Frobnify(pub bool);
pub struct Bazificate(pub bool);

fn my_func(Fubarize(fub): Fubarize,
      Frobnify(frob): Frobnify,
      Bazificate(baz): Bazificate) {
  if fub {
    ...;
  }

  if frob && baz {
    ...;
  }
}

...

my_func(Fubarize(true), Frobnify(false), Bazificate(true));

标准的错误处理

在Rust里,不再只是简单地返回一个布尔值表示出错与否,也不再简单粗暴地忽略错误,也不再通过非本地跳转来处理异常。

#[derive(Debug)]

在创建新类型时(比如创建一个包含大量字段的struct),可以使用#[derive(Debug)],Rust会自动打印该类型的内容用于调试,不需要再手动编写函数去获取类型的信息。

闭包

不再需要使用函数指针了。

结论

在多线程环境里,Rust的并发控制机制可以防止出现数据竟态条件。我想,对于那些经常写多线程并发代码的人来说,这会是个好消息。

C语言是一门古老的语言,用它来编写单处理器的Unix内核或许是个不错的选择,但对于现今的软件来说,它算不上好语言。

Rust有一定的学习曲线,但我觉得完全值得一学。它之所以不好学,是因为它要求开发者对��己所写的代码必须有充分的了解。我想,Rust是一门这样的语言:它可以让你变成更好的开发者,而且它会成为你解决问题的利器。

查看英文原文Rust things I miss in C

本文永久更新链接地址https://www.linuxidc.com/Linux/2018-03/151270.htm

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