为什么应将 Rust 引入机器人平台？以及机器人平台的 Rust 资源推荐

niqin.com

发布于 2022-09-01 15:35:16

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发布于 2022-09-01 15:35:16

文章被收录于专栏：Rust 生态与实践

摘译自 Adam Rodnitzky 于 2021-03-30 发表在 tangramvision.com 的文章 Why Rust for Robots?

目前，机器人平台主要使用的程序设计语言为 C++。而 Tangram Vision 团队则认为，机器人平台应当选择更好和更合适的程序设计语言，Rust。

图像作者为 Davide Baraldi，来自于 Unsplash

C++ 在机器人平台的应用

对于机器人平台而言，其最终目标是商业化及其规模上的部署。C++ 在过去几十年的使用中，已经逐渐成为标准，这是由多种原因合力造就的。首先，C++ 无处不在的应用规模已经形成一个自我强化的机制；其次，C++ 有丰富的类库、工具，以及工程师的生态系统。比如说，ROS（译注：RobotOS，目前最流行的机器人平台客户端库之一）主要是用 C++ 实现的；流行的 OpenCV 计算机视觉库也主要是用 C++ 编写，并用 C++ 进行调用。

然而，工具和工程师的普遍性存在，并不能完全解释 C++ 在机器人平台的流行。还有一个更根本的原因是：在已知的资源限制下，大多数机器人平台必须满足可接受的性能阈值。C++ 非常适合这些嵌入式应用程序，因为高性能的语言才适合“与金属融合（close to the metal）”。

译注：“close to the metal” 是美剧《奔腾年代（Halt and Catch Fire）》第一季第四集剧名，大概剧情：戈登等人突破了多赫蒂阈值，这意味着他们的个人电脑组装后，将成为最快的电脑……清洁工打扫时制造了电涌，导致代码都不见了……原来乔是故意将卡梅伦骗出工作间制造了电涌……

因其 C++ 的特性，这种“与金属融合（close to the metal）”的优势，使得机器人平台面临着潜在的巨大危害。C++ 的测试、体系结构，以及内存管理，均存在使用依赖性上的不一致问题；然而，这些依赖关系可能会捕获和操纵基本的底层资源。这意味着在不经意间，就会非常容易地构建导致关键问题的 bug，并且你不会意识到……也就是说，直到你完全投入生产环境。在产品部署到生产环境之前，这个大问题的 bug，是不会被发现的。在生产环境中，一个绕过 QA 的边缘案例场景，会触发内存泄漏，或者系统崩溃，等等。

除非你如上述韦恩图所示，在狭小的交集范围内思考。否则，将会因为 C++ 自身的问题，而导致你的机器人平台代码库有诸多麻烦。

基于上述原因，Rust 语言则显得非常有积极意义。

将 Rust 引入机器人平台

Rust 是相对较新的机器人语言，但是有大量快速增长的项目和库，以及为机器人技术的发展提供了关键框架。

但是，为什么要改变呢？

首先，使用 Rust 构建机器人平台的最大好处是内存安全和管理。在 Rust 中，您必须非常地努力，才能“创造”内存泄漏或争用条件，比如：常见的内存陷阱、空指针，或数据争用。在 Rust 中，内存管理的方法是使用堆栈跟踪程序，然后使用指针引用来指向包含较大数据结构的堆。

为了访问数据结构，必须建立所有权，从而防止多个变量同时访问或修改数据结构。效率高？对。安全吗？对。最好的部分是：Rust 具有和 C++ 同等的“与金属融合（close to the metal）”的特性。这使得 Rust 成为一种高效、极其安全的语言。Rust 还允许底层访问，这非常适合资源约束和代码安全至关重要的机器人世界。

对于机器人平台来说，Rust 是一个明智的选择，但是向用 Rust 编写的机器人平台过渡，则需要时间。Rust 发布不足十年（译注：2014 年 10 月，Rust 编译器和工具有了第一个发布：0.12 版），而 C++ 已经存在了四个十年了。因此，C++ 仍然具有非常大的惯性，但 Rust 社区正在快速发展中。