زبان برنامه نویسی Rust را خوب بشناسیم - Rust پر سرعت

معرفی زبان برنامه‌نویسی Rust

Rust یک زبان برنامه‌نویسی سیستم‌محور جدید است که توسط شرکت موزیلا (Mozilla) توسعه یافته است و هدف آن ارائه عملکرد بالا، امنیت حافظه و همزمانی آسان ولی ایمن است. این زبان به گونه‌ای طراحی شده که بتواند جایگزینی امن و مدرن برای زبان‌هایی مثل C و C++ باشد.

تاریخچه و هدف طراحی Rust

زبان Rust در سال 2010 توسط گرگ کالینز (Graydon Hoare) به عنوان پروژه‌ای شخصی آغاز شد و سپس توسط موزیلا حمایت و توسعه یافت. هدف اصلی طراحی Rust این بود که زبان برنامه‌نویسی باشد که مشکل امنیت حافظه را بدون کاهش سرعت و کارایی برنامه حل کند. مشکلاتی مثل نشت حافظه، دسترسی به حافظه آزاد شده یا داده‌های همزمان که در زبان‌های قدیمی مانند C/C++ رایج هستند، در Rust به شکل بنیادین حل شده‌اند.

Rust تلاش می‌کند امنیت بالا، سرعت اجرای نزدیک به برنامه‌نویسی سطح پایین و بهره‌گیری از مزایای زبان‌های مدرن را با هم ترکیب کند.

ویژگی‌های کلیدی Rust

1. امنیت حافظه بدون Garbage Collector : یکی از بزرگ‌ترین مزایای Rust این است که مسائل مربوط به حافظه را با استفاده از مکانیزم سیستم مالکیت (Ownership system) بدون نیاز به Garbage Collector رفع می‌کند. این باعث می‌شود Rust سرعت بالایی داشته باشد در حالی که در مدیریت حافظه دارای مزایای ایمنی است.
   
   
2. سیستم مالکیت(Ownership System)  Rust : دارای سیستم مالکیتی بسیار قوی است که به سه اصل مهم تکیه دارد:

• هر داده فقط یک مالک دارد.
• وقتی مالک داده از بین می‌رود، داده نیز پاک می‌شود.
• هیچ داده‌ای نباید همزمان چند مالک داشته باشد مگر از طریق مرجع‌های امن (References)

این سیستم مانع بسیاری از باگ‌های رایج مثل دوبار آزاد کردن حافظه یا استفاده از داده‌های آزاد شده می‌شود.

3.امانت‌داری (Borrowing) :در Rust به جای کپی کردن داده‌ها یا استفاده از اشاره‌گرهای خام، داده‌ها قابل قرض دادن (Borrow) هستند، یعنی شما می‌توانید مرجع‌هایی با قابلیت خواندن یا نوشتن را به طور موقت به توابع یا ساختارهای دیگر بدهید بدون اینکه مالکیت داده ها تغییر کند.

4.سیستم نوع قوی Rust : از سیستم نوع ایستا (Static Typing) بهره می‌برد و انواع بسیار قدرتمندی دارد که در Compile-time بسیاری از خطاها را تشخیص می‌دهد.

5.همزمانی امن: (Safe Concurrency)  Rust به کمک نوع امانت‌ها و مالکیت‌ها اجازه می‌دهد همزمانی (Concurrency) بدون نیاز به قفل‌گذاری سنگین و بلاکینگ‌ها به شکل ایمنی انجام شود. به این ترتیب می‌توانید از داده‌های به اشتراک گذاشته شده در چند        thread  به صورت امن استفاده کنید.

6.ابزارهای مدرن و بسته‌های گسترده Rust : (Cargo and Crates) دارای ابزار مدیریت بسته‌ها و پروژه به نام Cargo است که فرآیند توسعه، نصب و مدیریت کتابخانه‌ها (Crates) را ساده می‌کند.

معماری و اصول Rust

  Ownership (مالکیت)

سیستم مالکیت در Rust سه قانون اصلی دارد:

• هر مقدار در Rust مالک منحصر به فرد دارد.
• وقتی مالک خارج از محدوده (Scope) می‌شود، Rust  حافظه آن مقدار را پاک می‌کند.
• مالکیت یا منتقل می‌شود (Move) یا به صورت قرض (Borrow) داده می‌شود.
  
  

مثال ساده مالکیت:

let s1 = String::from("hello"); // s1  مالک داده است

let s2 = s1;  //  مالکیت به s2 منتقل می‌شود، s1 غیرفعال می‌شود

// println!("{}", s1); // اشتباه، چون s1 دیگر مالک نیست

println!("{}", s2);   // درست

Borrowing (امانت دادن)

به جای انتقال مالکیت، می‌توان مقدار را به صورت مرجع قرض داد.

let s1 = String::from("hello");

fn print_len(s: &String) {

    println!("Length is {}", s.len());

}

print_len(&s1); // قرض دادن متغیر s1 بدون انتقال مالکیت

println!("{}", s1); // هنوز قابل استفاده است

Mutable Borrowing  (امانت دادن قابل تغییر)

قوانین Rust می‌گویند شما نمی‌توانید همزمان یک مرجع قابل تغییر و چند مرجع قابل خواندن به یک داده داشته باشید.

let mut s1 = String::from("hello");

fn add_exclamation(s: &mut String) {

    s.push_str("!");

}

add_exclamation(&mut s1); // قرض دادن قابل تغییر

println!("{}", s1);

کاربردهای  Rust

• برنامه‌های سیستم و درایورها: به خاطر سرعت و کنترل دقیق بر حافظه.
• وب سرورها و سرویس‌های ارتباطی: با فریم‌ورک‌هایی مانند Actix و.Rocket
• کدهایEmbedded  :سیستم‌های نهفته که نیاز به کارایی سخت‌افزاری دارند.
• بازی‌سازی: موتورهای بازی که به سرعت بالا و کنترل حافظه نیاز دارند.
• ابزارهای Command Line :به دلیل ساختار ابزارهای پیشرفته و سرعت بالا.
• برنامه‌های همزمان و توزیع‌شده : بهره‌گیری از ویژگی‌های همزمانی امن و بهینه.
  
  
  

مقایسه Rust با دیگر زبان‌ها

•  Rust در مقابل C/C++
• Rust حافظه را خودکار و ایمن مدیریت می‌کند در حالی که C/C++ مدیریت حافظه به صورت دستی است و خطاهایی مثل نشت حافظه، double free و دسترسی بی‌قاعده رایج است.
• Rust modern است، دارای ابزارهای بهتر و جامعه کاربری رو به رشد.
• سرعت Rust تقریبا برابر با C/C++ است.
  
  
• Rust  در مقابل   Go
• Go دارای garbage collector است که گاهی باعث کاهش کارایی می‌شود.
• Rust  امنیت حافظه را در Compile-time تضمین می‌کند بدون نیاز به .GC
• یادگیری Go در کل آسان‌تر است ولی Rust کنترل بیشتری روی منابع سیستم می‌دهد.
  
  
•  Rust در مقابل Python  
• Python  زبان اسکریپتی سطح بالا و کندتر است اما برای توسعه سریع عالی است.
•  Rust برای توسعه برنامه‌هایی که نیاز به اجرای سریع دارند بهتر است.
  
  

ابزارها و فریم‌ورک‌ها

•  Cargo: مدیر بسته و ابزار ساخت Rust که پروژه‌ها، وابستگی‌ها و بیلد را مدیریت می‌کند.
• Crates.io: : مخزن اصلی کتابخانه‌های Rust که بیش از ده‌ها هزار بسته دارد.
• Serde : فریم‌ورک بسیار پرکاربرد برای سریالیزه کردن (serialize) و دی‌سریالیزه کردن داده‌ها.
•  :Tokio کتابخانه مهم برای برنامه‌نویسی آسنکرون (Asynchronous programming) .
•  Rocket و: Actix-web فریم‌ورک‌های توسعه وب در Rust .
  
  

نمونه کد ساده Rust

fn main() {

    let name = String::from("Alice");

    greet(&name);

}

fn greet(name: &String) {

    println!("Hello, {}!", name);

}

این برنامه یک متغیر رشته تعریف می‌کند و آن را به تابع greet به صورت مرجع قرض می‌دهد و سپس پیام سلام را چاپ می‌کند.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

• منحنی یادگیری: سیستم مالکیت و امانت‌دهی در ابتدا کمی پیچیده است و برای برنامه‌نویسان تازه‌کار چالش‌برانگیز است.
• زمان بیلد: کامپایل کردن پروژه‌های بزرگ Rust ممکن است زمانبر باشد.
• حجم اکوسیستم: نسبت به زبان‌های جاافتاده‌تر مثل Python ، اکوسیستم Rust هنوز کوچک‌تر است ولی در حال رشد سریع.
  
  
  

دلیل محبوبیت روزافزون Rust  

• ترکیب سرعت بالا و امنیت حافظه.
• پشتیبانی خوب جامعه و شرکت‌های بزرگ مثل مایکروسافت، گوگل، آمازون و موزیلا.
• استفاده در پروژه‌های بزرگ مانند مرورگر Firefox، سیستم‌های توزیع‌شده و بلاک‌چین.
  
  
  

نتیجه‌گیری

 Rust یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی مدرن و قدرتمند است که نوآوری زیادی در امنیت حافظه و همزمانی ارائه می‌دهد. با اینکه یادگیری آن ابتدا سخت است، اما مزایایی همچون سرعت بسیار بالا و امنیت ذاتی در اجرا باعث می‌شود در پروژه‌های سیستم، وب، و هر جایی که به کارایی و ایمنی نیاز است، به یک انتخاب ایده‌آل تبدیل شود. اگر اهل رقابت بین زبان‌ها هستید، Rust را حتما امتحان کنید.