Rust on ohjelmointikieli, jonka on kehittänyt Mozilla Foundation. Rust on suunniteltu suorituskykyiseksi järjestelmätason ohjelmointikieleksi, joka välttäisi tyypillisten C- tai C++-ohjelmien muistinhallintaan liittyvät virhetilat. Sen syntaksi muistuttaa C-kieltä, mutta muuten eroaa siitä ominaisuuksiltaan. Rust sisältää muun muassa nimiavaruudet, rinnakkainajon, sulkeumat ja tyypinpäättelyn.
Muista moderneista ohjelmointikielistä poiketen Rust toteuttaa muistinhallinnan turvallisuuden ajoajan sijaan kielen syntaksissa ja ohjelman kääntämisen aikana, mikä tarkoittaa lisää rajoituksia ohjelmoijalle, mutta enemmän nopeutta ohjelman ajoon, jotta tehossa ei hävittäisi perinteisille ohjelmointikielille. Lisäksi Rustissa on pyritty kehittämään turvallisuutta myös ohjelman säikeiden kilpailutilanteiden suhteen. Toisaalta Rust erottuu monista muista moderneista kielistä siten, että siinä on mahdollista myös halutessaan ohittaa turvallisuusmekanismit ja käyttää esimerkiksi osoitinmuuttujia vapaasti.
Rust on käännettävä kieli, joka tukee Unicode-merkistöä. Rustin käyttöön liittyen sen ohjelmointikielen kääntäjä ilmoittaa virheet tarkasti ja perusteellisesti verrattuna C- ja C++-kieliin, mikä helpottaa ohjelmointivirheiden korjaamista. Rustin kääntäjä myös jossain määrin tarjoutuu avustamaan virheiden korjaamisessa.https://medium.com/@AlexanderObregon/how-rust-compiles-an-introduction-to-the-rust-compiler-3c51027e7fb1 Rust sisältää myös sisäänrakennetun valmiuden yksikkötestaamiselle.
Ominaisuudet
Rust tarjoaa korkean abstraktiotason kielen ominaisuudet matalalla prosessointitasolla. Rustin päämäärinä ovat turvallisuus, nopeus ja rinnakkaisuus. Rustilla voidaan kirjoittaa käyttöjärjestelmiä, laiteajureita ja se voidaan sulauttaa toisiin ohjelmiin. Tärkeitä alueita rustille ovat myös pelikehitys ja webpalvelut.
Muistinhallinta
Rust ratkaisee muistinhallinnan ongelmat käyttämällä datan omistajan, lainaamisen ja turvattoman (unsafe) käsitteitä. Tämä mahdollistaa automaattista roskienkeruutakin paremmat ominaisuudet: deterministisen muistivapautuksen, ei kilpailutilanteita (data race) ja iteroijien tarkistus (ei muokata ja viitata samanaikaisesti).
Rust-ohjelmien muistialue koostuu kahdesta alueesta: pino ja keko (stack, heap) – aivan kuten C-kielessäkin. Pinossa olevat muuttujat omistaa joku keossa oleva laatikko (box). Laatikoiden omistamia muuttujia, tavaroita (items), voi vaihdella funktioiden kesken jos ne ovat muuttumattomia (static). Muuttuvien muuttujien (avainsana mut) jakaminen on mahdollista lainaamalla niitä funktioilta tai säikeiltä toisille (borrowing). Nämä ratkaisut mahdollistavat turvallisen rinnakkaisajon ja estävät segmentaatiovirheet, jotka C-kielessä johtuvat luvattomien muistialueiden käsittelystä.
Turvattoman (unsafe) muistihallinnan kautta rust-ohjelmat voivat kommunikoida toisten järjestelmäprosessien ja eri kielellä kirjoitettujen ohjelmien kanssa ilman ristiriitoja, ja tarvittaessa rikkoa omistukseen liittyviä sääntöjä.
Jokaisella arvolla on Rustissa yksi omistaja kullakin hetkellä. Kun omistaja katoaa näkyvistä, arvo pudotetaan pois. Kekomuistissa pidettyä tietoa ei koskaan kopioida ilman clone()-metodin käyttöä. Muuttujat eivät voi viitata samaan kekomuistissa olevaan tietoon; vain viimeisimpänä määritelty muuttuja on voimassa. Muuttujan sijoittaminen funktioon siirtää arvon omistajuuden funktiolle eli muuttuja katoaa näkyvistä. Jos omistajuutta ei haluta siirtää, käytetään muuttujan referenssiä (&x, x: &Y) eli lainataan. Referoimisen vastaoperaatio on dereferointi *x. Yhteen arvoon voi olla yhdessä näkymässä vain yksi muuntamisen salliva referenssi (&mut x). (Metodeissa Rust tekee automaattisen referoinnin ja dereferoinnin.) Tietorakenteiden kuten tietueiden arvojen on oltava voimassa yhtä kauan kuin koko kokoelmakin – tämä on mahdollista elinaikojen avulla.
Elinaikojen avulla referenssit ovat voimassa niin kauan kuin niitä tarvitaan. Elinaika määritellään tarvittaessa syntaksilla &'a Tyyppi, fn nimi<'a>(x: &'a Tyyppi) -> &'a Tyyppi { ... }, struct Nimi<'a> { x: &'a Tyyppi, } ja impl<'a> Tyyppi<'a> { ... }. Tätä tarvitaan, kun käytetään referenssejä eikä kääntäjällä ole tarpeeksi informaatiota varmistaa, että elinajat riittävät. 'static tarkoittaa, että referenssi voi elää koko ohjelman ajon ajan.
Tavallisten referenssien (osoittimien) lisäksi Rustissa voidaan käyttää älyosoittimia, joista tavallisimpia ovat standardikirjaston Box<T> (kekomuistiallokaatio), Rc<T> (referenssien laskentaan perustuva moniomistajuus) ja RefCell<T> (lainaussääntöjen ajonaikainen tarkistus).
Moduulit
Rust-ohjelmat organisoidaan paketteihin, laatikoihin (engl. crate) ja moduuleihin. Paketti ei ole varsinaisesti Rustin vaan sen apuohjelman Cargon ominaisuus – paketti muodostuu useista laatikoista, joista yhden on oltava kirjasto. Laatikot ovat kirjastoja tai ajotiedostoja, jotka muodostuvat moduulipuusta. Rust-kääntäjälle kaikki lähdetiedostot ovat laatikoita, mutta yleensä laatikolla tarkoitetaan kirjastolaatikkoa (ei ajotiedostolaatikkoa). Moduulit ovat nimiavaruuksia, joiden avulla ohjelman alkioita ja niiden näkyvyyttä organisoidaan. Moduulin alkiot kuten funktiot (ja alimoduulit) nimetään moduulipolun mukaan tyylillä laatikko::moduuli::funktio. Alkiot ovat oletuksena yksityisiä eli käytettävissä vain oman moduulinsa sisällä.https://doc.rust-lang.org/stable/book (viitattu 14.11.2022)
Moduuleja käytetään seuraavan syntaksin avulla: mod x { ... } määrittelee uuden moduulin use laatikko::moduuli::moduuli as mdl; tuo moduulin näkymään niin, ettei koko polkua ole tarpeen käyttää vaan mdl::funktio riittää use laatikko::moduuli{self, moduuli::alkio, moduuli, alkio}; tuo näkymään neljä polkua samalla lauseella pub tekee moduuleista, alkioista tai kentistä käytettäviä moduulin ulkopuolella (julkistettava yksitellen) pub use ...; tekee siis näkymään tuodusta polusta julkisen
Rinnakkaisohjelmointi
Rinnakkaiseen ja asynkroniseen ohjelmointiin löytyy tukea erityisesti Rustin standardikirjastosta. Esimerkiksi std::thread::spawn ajaa annetun sulkeuman uudessa säikeessä ja palauttaa kahvan, jonka join-metodilla voidaan odottaa säikeen valmistumista. Referenssien elinaika on epäselvä asynkronisessa ajossa, joten annetun sulkeuman on omistettava ympäristöstään kaappaamansa arvot – tämä onnistuu syntaksilla move || println!(x);. Viestien välitys säikeiden välillä onnistuu standardikirjaston std::sync::mpsc::channel-funktion avulla. Myös muistin jakaminen säikeiden välillä onnistuu std::sync::Mutex- (lukko) ja std::sync::Arc-tietueen (moniomistajuus) avulla.
Oliopohjainen ohjelmointi Rustissa on vaikutteita olio-ohjelmoinnista, mutta se ei tue kaikkea olio-ohjelmoinnin määrittelyn mukaisia ominaisuuksia. Rust tukee tiedon ja toimintojen paketointia yhteen (metodit tai operaatiot), mutta se ei tue olio-ohjelmoinnin perintää. Määrittelystä riippuen Rust joko on tai ei ole olio-ohelmointia tukeva kieli.
Rustissa ei käytetä sanaa objekti tai olio, mutta tietueille ja luetteloille voidaan määritellä metodeja, mikä mahdollistaa olio-ohjelmoinnin kaltaisen ohjelmoinnin. Kapselointi onnistuu käyttämällä pub-avainsanaa niiden tietotyyppien ja metodien määritelmissä, jotka muodostavat kyseisen tietotyypin julkisen rajapinnan. Periminen ei ole mahdollista, mutta geneeriset tyypit ja piirteiden oletustoteutukset ja reunaehdot mahdollistavat vastaavia rakenteita. Näiden lisäksi abstraktimpi tapa on käyttää kokoelman tyyppinä Rustin piirreobjektia <Box<dyn Piirre>>, joka mahdollistaa erilaisten ja uusien tyyppien käsittelemisen samassa kokoelmassa ajon aikana – kunhan ne vain toteuttavat annetun piirteen (dyn-avainsana tulee sanasta dynaaminen). Tämä vastaa ankkatyypitystä – eli varsinaisella tyypillä ei ole väliä kunhan se toteuttaa tietyt metodit – mutta Rust-kääntäjä varmistaa jo käännösvaiheessa, että metodit ovat olemassa ennen niiden kutsumista. Tilaobjektimallin käyttö on mahdollista, mutta Rustissa on tyypillisempää esittää olioiden erilaiset tilat omina tyyppeinään, jolloin voidaan hyödyntää Rust-kääntäjän tyypintarkastusta.
Funktionaalinen ohjelmointi
Sulkeumat ovat Rustin nimettömiä funktioita, jotka määritellään tyylillä |x| println!("{}-{}", x, y); ja voivat kaapata arvoja ympäristöstä, jossa ne on määritelty. Sulkeuma voidaan sijoittaa muuttujaan tai funktion argumentiksi arvojen tavoin. Jos sulkeuman tyyppejä ei merkitä, kääntäjä päättelee ja merkitsee ne ensin käytettyjen tyyppien mukaan. Sulkeuma voidaan myös palauttaa funktiosta, jos käytetään piirreobjektia Box<dyn Fn(T) -> T>.
Iteraattorit ovat tyyppejä, jotka palauttavat jokaisella next-metodin kutsulla uuden arvon, kunnes kaikki arvot on kulutettu. Mikä tahansa tyyppi voi olla iteroitava, jos sille on määritelty Iterator-piirre (Item-tyyppi ja next-metodi riittävät). Kun iteraattoria muutetaan muodosta toiseen, collect-metodilla (tai muulla ns. kuluttavalla metodilla) voidaan lopuksi kuluttaa se, eli esim. palauttaa iteraattorista haluttu vektorityypin rakenne (vektori.iter().map(sulkeuma).collect();).
Funktioita voidaan antaa argumentteina toisiin funktioihin, jotka on määritelty tyylillä fn nimi(f: fn(T) -> T, x: T) -> T { f(x) }.
Hahmonsovitus on Rustissa hyvin tavallista. Se onnistuu match-, if let-, while let-, for- ja let-lauseissa sekä funktioiden parametreissa. Hahmonsovitus mahdollistaa myös monikkojen, tietueiden ja luetteloiden destrukturoinnin tyylillä let (x, y) = (1, 2). Alaviivalla _ voidaan jättää osia hahmosta huomiotta ja ..-syntaksilla voidaan jättää kokonainen arvoväli jostakin kokoelmasta huomiotta.
Metaohjelmointi
Makrot tuottavat koodia kääntämisvaiheessa ja toimivat kuin funktiot, mutta huomattavasti vapaammilla säännöillä. Deklaratiiviset makrot määritellään omalla syntaksillaan tyylillä macro_rules! nimi { hahmo => koodi } ja makro voi näin kaapata mitä tahansa tekstiä ja käyttää sitä tuottamaan mitä tahansa koodia. Proseduraaliset makrot ovat taas tavanomaisia Rust-funktioita, jotka manipuloivat saamansa Rust-koodin abstraktia syntaksipuuta. Makroja kutsutaan funktioiden tapaan tyylillä makro!... tai attribuutteina tyylillä #[makro(...)] ja #[derive(makro)].
Yleisiä makroja ovat println!, joka kirjoittaa standarditulosteeseen eprintln!, joka kirjoittaa standardivirheeseen dgb!, joka kirjoittaa standardivirheeseen käyttämällä Debug-piirteen määrittelemää formaattia assert_eq!, joka varmistaa yhtäläisyyden format!, joka liittää muuttujien saamat arvot tekstiliteraaliin panic!, joka pysäyttää ohjelman virheeseen
Virheidenhallinta
Rustissa käsitellään virheitä yleensä luettelon enum Result<T, E> { Ok(T), Err(E), } ja hahmonsovituksen match avulla. Result-arvon voi käsitellä erityisen lyhyesti ?-operaattorin avulla tyylillä moduuli::funktio()?, jolloin tilanteessa Ok(arvo) lauseke palauttaa suoraan arvo. ?-operaattori on käytettävissä vain funktioissa, jotka palauttavat Result- tai vastaavan tyypin arvon. Toinen tavallinen tapa on käyttää Result-arvon unwrap_or_else-metodia, joka palauttaa arvon tai ajaa annetun sulkeuma. expect-metodi taas kutsuu virhetilanteessa suoraan panic!-makron, mikä on hyödyllistä ohjelman kehityksen alkuvaiheessa.
Tietotyypit
Tietotyyppejä Rustissa ovat muun muassa Kokonaisluvut muotoa i32 (oletus), isize, u64 ja literaalit 5, 10_000, 0b1010_0011 Liukuluku f32 ja f64 ja literaalit esim. 2. ja -24.55 Boolen tyyppi ja literaalit true ja false Merkki char ja literaalit 't' (ei ") Monikko esim. (1, 2.0, 'c') ((i32, f32, char)) Taulukko esim. [1, 2, 3] ([i32; 3]), millä on vakiopituus Teksti String (muunnettava) ja literaalit "Hei, Wikipedia!" (muuttumaton) Viipale &x[0..5] ("Hei, Wikipedia!" on myös viipale tyyppiä &str) Tietue struct Nimi { nimi: String }, josta luodaan instanssi tyylillä Nimi { nimi: String::from("Arvo"), }; Monikkotietue struct Nimi(i32, String);, jonka kenttiä ei nimetä Yksikkötietue struct Nimi;, jolla ei ole kenttiä