Rust 是系统编程的未来，C 是新的 Assembly

作者丨Bhagyashree R

译者丨平川

策划丨王文婧

在 2019 年开源技术峰会（OSTS）上，英特尔首席工程师 Josh Triplett 详细介绍了英特尔为将人们喜爱的 Rust 变成和 C 完全对等的语言所做的工作。在演讲“英特尔和 Rust：系统编程的未来”中，他还谈到了系统编程的历史，C 是如何成为“默认”的系统编程语言的，Rust 的特性可以使它胜过 C，等等。

直到现在，OSTS 仍是英特尔的闭门活动，公司的业务负责人和技术负责人聚在一起，讨论各种有助于塑造开源生态系统的趋势、技术和创新的话题。然而，今年与往年不同，他们首次邀请了非英特尔的与会者，包括媒体、合作伙伴和开发人员。

大会举办了主题演讲，包括 50 多场技术会议、座谈会和演示，覆盖英特尔参与的所有开源技术，包括集成软件栈（边缘计算、 AI 、基础设施）、固件、嵌入式和物联网项目以及云系统软件等。

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什么是系统编程语言

系统编程是开发和管理作为其他软件构建平台的软件。为了获得必要的性能和抽象，系统软件与计算机硬件之间会存在直接或关系紧密的接口。与应用程序编程不同，它提供的软件不是向用户提供服务，而是生成为计算机硬件提供服务的软件。

Triplett 将系统编程宽泛地定义为“任何不是应用程序的软件”。这包括 BIOS、固件、引导加载程序、操作系统内核、嵌入式及类似的底层代码、虚拟机实现。Triplett 也将 Web 浏览器视为一个系统软件，因为它“不只是一个应用程序”，它们实际上是“网站和 Web 应用程序的平台”。

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C 是如何成为“默认”的系统编程语言的

以前，大多数系统软件包括 BIOS、引导加载程序和固件是用 Assembly 编写的。在 1960 年代，人们开始了在高级语言中支持硬件的试验，创建了 PL/S、BLISS、BCPL 和扩展 ALGOL 等语言。

在 1970 年代，Dennis Ritchie 为 Unix 操作系统创建了 C 编程语言。它源自无类型的 B 编程语言，C 打包了强大的高级功能和最适合编写操作系统的具体特性。多个 UNIX 组件包括其内核最终用 C 进行了重写。许多其他系统软件，包括 Oracle 数据库、很大一部分的 Windows 源代码、 Linux 操作系统，都是用 C 编写的。

在这一点上，C 被广泛地采用。但是，究竟是什么使开发人员可以舒服地迁移到 C？Triplett 认为，为了实现从一种语言到另一种语言的迁移，有两件事必须使开发人员觉得舒服：特性和对等性。

首先，语言应该提供“足够引人注目”的特性。“不能只是好一点点。它必须好很多，对得起迁移所需要付出的努力和工程时间，”他补充道。相比 Assembly，C 提供了更多的特性。它提供了一定程度的类型安全、可移植性、使用高级构造提高生产力、更可读的代码。

其次，语言必须提供对等性，就是说，开发人员必须能够相信其能力不亚于 Assembly。他说，“它不能仅仅是更好，还要不会更糟。”除了更快以及能够表示 Assembly 能够表示的任何数据类型外，它还具备 Triplett 所说的“逃生出口（escape hatch）”。这意味着你可以逐步迁移，如果需要，还可以结合 Assembly 一起使用。

Triplett 相信，C 现在正在变成几年前 Assembly 的样子。“C 是新的 Assembly，”他总结道。开发人员正在寻找一种高级语言，它不仅能解决 C 语言中无法解决的问题，而且还能利用这些语言提供其他令人兴奋的特性。这种旨在使开发人员从 C 语言迁移过去的语言应该是内存安全的，提供自动内存管理、安全等等。

“任何想要比 C 语言更好的语言，如果它真的是一个令人信服的替代方案，那么它必须提供的不仅仅是防止缓冲区溢出。人们关心可用性和生产力。他们关心的是编写自解释的代码，用更少的代码来完成更多的工作。它还需要解决安全问题。可用性和生产力与安全性密切相关。你完成工作所需要编写的代码越少，出现 bug 安全漏洞的机会就越小，”他解释说。

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Rust 与 C 的比较

早在 2006 年，Mozilla 员工 Graydon Hoare 开始编写 Rust，最初是作为一个个人项目。2009 年。Mozilla 开始赞助该项目，扩大了团队，进一步推动了这门语言的发展。

Mozilla 感兴趣的原因之一是 Firefox 是用 400 多万行 C++ 代码编写的，并且有很多非常严重的漏洞。Rust 构建时考虑到了安全性和并发性，因此，它是在 Quantum 项目下重写许多 Firefox 组件的最佳选择。他们还使用 Rust 开发 Servo，这是一个 HTML 渲染引擎，最终将取代 Firefox 的渲染引擎。许多其他公司也开始在他们的项目中使用 Rust，包括微软、谷歌、Facebook、亚马逊、Dropbox、Fastly、Chef、百度等等。

Rust 解决了 C 语言中的内存管理问题。它提供了自动内存管理，因此，开发人员不必对每个对象都手动调用 free。它与其他现代语言的区别在于，它没有任何类型的垃圾收集器或运行时系统。取而代之，Rust 有所有权、借用、引用和生命周期的概念。“Rust 有一个系统，它可以声明对某个对象的任何特定使用是该对象的所有者，还是只是临时借用该对象。如果你只是借用一个对象，编译器会跟踪它。只要你引用它，它就会保持原样。Rust 会确保对象的所有者在用完的时候释放它，它是在编译时插入 free 调用，不需要额外的运行时开销，”Triplett 解释道。

没有运行时也是 Rust 的一个优点。Triplett 认为，具有运行时的语言很难用作系统编程语言。他补充说，“你必须在可以调用任何代码之前初始化运行时，必须使用那个运行时调用函数，而且运行时本身可能在意想不到的时间在后台运行额外的代码。”

Rust 还旨在提供安全的并发编程。这和实现内存安全的特性是同一个特性，它会跟踪哪个线程拥有哪个对象，哪些对象可以在线程之间传递，哪些对象需要获取锁。

这些特性足够使 Rust 吸引开发人员选用它进行系统编程。然而，谈到第二个标准，Rust 尚无法做到与 C 对等。

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Triplett：“为了实现与 C 对等，我参与了 Rust”

在 Rust 中引入兼容 C 的 union

Triplett 对 Rust 编程语言的第一个贡献是 RFC 1444 ，它始于 2015 年，并于 2016 年被接受。这个 RFC 提议在 Rust 中对兼容 C 的 union 提供原生支持，这将通过一个新的“上下文关键字”union 来定义。Triplett 想在 Rust 中构建虚拟机，而用于此目的的 Linux 内核接口 /dev/kvm 需要联合，他由此认识到了这份提案的必要性。

“我曾与 Rust 社区及语言团队一起将 union 引入 Rust，因为这项工作，我现在是 Rust 语言治理团队的一员，帮助评估和指导语言的其他变化，”他补充道。

2016 年，他在第一届 RustConf 大会上详细讨论了这个 RFC。

支持未命名结构和联合类型

Triplett 研究的另一个特性是在 Rust 中支持未命名结构和联合类型。几十年来，这一直是一个广泛使用的 C 编译器扩展，并且也包含在 C11 标准中。这允许开发人员以任意方式对字段进行分组和布局，以匹配在外部函数接口（FFI）中使用的 C 数据结构。这个提议实施时，Rust 将能够使用与结构相同的名称表示此种类型，而不会人为地插入字段名，令使用现有平台完备接口的用户感到困惑。

在 Rust 中提供内联 Assembly 的稳定支持

系统编程通常涉及底层操作，并且需要处理器的底层细节，比如特权指令。为此，Rust 支持通过“asm!”宏使用内联 Assembly。然而，只在编译器的每夜构建版本中提供，尚不稳定。Triplett 正在与其他 Rust 开发人员合作，编写一份提案，为内联 Assembly 引入更健壮的语法。要了解内联 Assembly 支持的更多细节，看看这个 pre-RFC 。

在 Rust 中加入 BFLOAT16 支持

许多英特尔处理器包括 Xeon Scalable ‘Cooper Lake-SP’现在都支持 BFLOAT16，这是一个新的浮点格式。这是 32 位 IEEE 754 单精度浮点格式截断后的 16 位版本，主要用于深度学习。这种格式也用于处理大型数据集的机器学习库，如 Tensorflow 。这也使得与现有系统、功能和存储的互操作变得更加容易。这就是 Triplett 致力于在 Rust 中添加 BFLOAT16 支持的原因，那样开发人员就能够使用他们硬件的全部功能。

FFI/C 对等性工作组

这是 Triplett 的重要声明之一。他启动了一个工作小组，将专注于实现与 C 的完全对等。在这个小组中，他的目标是与 Rust 社区和其他英特尔开发商合作制定剩余特性的规范，为了用于系统编程，这些特性需要在 Rust 中实现。这个小组还将专注于使用 Rust 的稳定版本支持系统编程，而不仅是试验性的编译器每夜构建版本。

在上周的 Reddit 讨论中，Triplett 分享了工作组的当前状态，“在回答问题之前，我先说明下：FFI /C 对等性工作组正在启动过程中，尚未完全启动。在完全启动时，我会在这里和其他地方发布相关信息及其初始目标。”

如有兴趣，您可观看 Josh Triplett 完整的 OSTS 视频演讲，了解更多英特尔对 Rust 的贡献。

https://hub.packtpub.com/rust-is-the-future-of-systems-programming-c-is-the-new-assembly-intel-principal-engineer-josh-triplett/

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