تکامل زبان های برنامه نویسی سیستمی با نوآوری های مداوم برای حل پیچیدگی ها و کاستی های فناوری های قدیمی تر همراه بوده است. به طور سنتی، زبان هایی مانند C و C++ در این زمینه برتری داشته اند که قابلیت های قدرتمندی ارائه می دهند اما چالش های قابل توجهی نیز به همراه دارند، به خصوص در زمینه هایی مانند ایمنی حافظه، همزمانی و مدیریت خطاها. با افزایش پیچیدگی سیستم ها، نیاز به زبان برنامه نویسی مدرن تر، مؤثرتر و ایمن تر بیش از پیش احساس می شود. در این میان Rust به عنوان راه حل مدرن معرفی می شود.

Rust چیست؟

Rust یک زبان برنامه نویسی سیستمی است که با سرعت بسیار بالا اجرا می شود، از خطاهای Segfault جلوگیری می کند و امنیت نخ ها را تضمین می کند. هدف آن توانمندسازی همه از توسعه دهندگانی که بر روی سیستم های تعبیه شده کار می کنند تا کسانی که پروژه های نرم افزاری عظیم و پیچیده را می سازند، است. Rust ابتدا به عنوان پروژه شخصی توسط Graydon Hoare در سال 2006 شروع شد و از آن زمان توسط Mozilla پشتیبانی شده و با مشارکت جامعه ای فعال رشد کرده است. این زبان در می 2015 نسخه پایدار خود را منتشر کرد و به سرعت برای پاسخگویی به نیازهای برنامه نویسان مدرن تکامل یافته است.

مفاهیم کلیدی و دستورات

طراحی Rust بر ایمنی و سرعت تمرکز دارد. این اهداف از طریق چندین ویژگی جدید دست یافتنی است:

• مالکیت و قرض گیری(Borrowing): Rust از یک سیستم مالکیت منحصربه فرد بهره می برد که قوانین آن توسط کامپایلر در زمان کامپایل بررسی می شود. نیازی به جمع آوری زباله نیست و مدیریت حافظه از طریق سیستم مالکیت و قرض گرفتن ارجاع ها انجام می شود.
• ایمنی و همزمانی: مدل مالکیت Rust باعث می شود که Race condition ها از طریق طراحی حذف شوند که این امر همزمانی را بسیار ایمن تر و آسان تر برای پیاده سازی می کند.
• Zero-Cost Abstractions: این زبان عملکرد کد سطح پایین را ارائه می دهد در حالی که انتزاع های سطح بالا مانند iterator ها و closure ها را فراهم می کند.

دستورات Rust ممکن است برای کسانی که از پس زمینه C++ می آیند آشنا به نظر برسد، اما چندین بهبود را برای افزایش خوانایی و حفظ عملکرد معرفی کرده است. در اینجا یک نمونه ساده از کد Rust آورده شده است:

fn main() {
   let message = "Hello, Rust!";
   println!("{}", message);
}

این مثال ساده تعریف یک تابع (main) و تعیین مقدار یک متغیر (message) را نشان می دهد و سپس این پیام را در خروجی کنسول نمایش می دهد. دستورات ساده و آسان برای فهم است که تأکید Rust بر قدرتمند بودن و دسترس پذیر بودن را به خوبی نمایش می دهد.

ویژگی های منحصر به فرد Rust

Rust صرفاً یک انتخاب جدید در دنیای زبان های برنامه نویسی نیست؛ این زبان یک رویکرد پیشرفته و انقلابی را ارائه می دهد که به طور خاص برای مقابله با مسائل پیچیده و دیرینه در برنامه نویسی سیستمی طراحی شده است. در اینجا به بررسی برخی از این ویژگی های کلیدی می پردازیم:

مالکیت (Ownership): مالکیت یکی از ویژگی های اصلی Rust است که به مدیریت حافظه بدون نیاز به جمع آوری زباله (Garbage Collection) می پردازد. قوانین مالکیت از طریق کامپایلر اعمال می شوند و به مدیریت مؤثر حافظه کمک می کنند.
قرض گیری (Borrowing): قرض گیری در Rust که به شدت با مفهوم مالکیت در ارتباط است، به بخش های مختلف کد اجازه دسترسی به داده ها را می دهد بدون اینکه مالکیت آن ها را در اختیار بگیرند. این فرآیند به افزایش ایمنی و کارآمدی کمک می کند.
Lifetime: بخشی از سیستم قرض گیری Rust هستند که تضمین می کنند، ارجاع ها پس از اتمام داده های مرجع، وجود نداشته باشند. این ویژگی جلوی خطاهای رایج مانند نقاط ارجاع دار (Dangling Pointers) را می گیرد.

نمونه هایی که ویژگی های Rust را نشان می دهند

بیایید نگاهی به نمونه هایی بیندازیم که نشان می دهند چگونه ویژگی های Rust به تقویت پایداری و قابلیت اطمینان زبان کمک می کنند.

نمونه Ownership:

fn take_ownership(some_string: String) { // some_string وارد حوزه می شود
   println!("{}", some_string);
} // اینجا، some_string خارج از حوزه می شود و `drop` فراخوانی می شود. حافظه آزاد می شود.
fn main() {
   let s = String::from("Hello, Rust!");
   take_ownership(s);
   // println!("{}", s); // این خط خطای زمان کامپایل ایجاد می کند زیرا مقدار s منتقل شده است.
}

نمونه Borrowing:

fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s یک ارجاع به String است
   s.len()
} // s خارج از حوزه می شود، اما از آنجا که مالک داده ها نیست، اتفاقی نمی افتد.
fn main() {
   let s = String::from("Hello, Rust!");
   let length = calculate_length(&s);
   println!("The length of '{}' is {}.", s, length);
}

نمونه Lifetime:

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
   if x.len() > y.len() { x } else { y }
}
fn main() {
   let string1 = String::from("Rust");
   let string2 = "is awesome";
   let result = longest(string1.as_str(), string2);
   println!("The longest string is {}", result);
}

تأثیر این ویژگی ها

ویژگی های Ownership و Borrowing و Lifetimes در Rust به صورت هماهنگ با یکدیگر کار می کنند تا اطمینان حاصل شود که برنامه ها از نشت حافظه (Memory Leak) و خطاهای ارجاع دهی (Pointer Errors) به طور مؤثر محافظت می کنند، بدون آنکه نیازی به قربانی کردن عملکرد باشد. این ویژگی ها به زبان این قابلیت را می دهند که برنامه های بسیار کارآمد و ایمن تولید کند که در نهایت این زبان را به گزینه ای برتر برای توسعه ی نرم افزارهای معتبر و قابل اعتماد تبدیل می کند. استفاده از این مجموعه ویژگی ها در Rust به توسعه دهندگان امکان می دهد که با اعتماد بیشتری به کدنویسی بپردازند، زیرا بسیاری از رایج ترین خطاهای برنامه نویسی که در زبان های دیگر به وفور یافت می شوند، در اینجا به طور خودکار مدیریت می شوند.

این تعامل بین سه ویژگی کاربردی اساساً به یک محیط برنامه نویسی سالم تر و ایمن تر منجر می شود که در آن حافظه و منابع دیگر به طور کارآمد مدیریت می شوند. با استفاده از این مکانیزم ها، Rust تضمین می کند که هر منبع (Resource) تنها یک مالک دارد و عمر منبع به دقت کنترل و پایش می شود که این امر خطر بروز خطاهای رایج را به حداقل می رساند و به توسعه دهندگان کمک می کند تا برنامه هایی با عملکرد بالا و قابلیت اطمینان بیشتر توسعه دهند.

مزایای استفاده از Rust

مزایای استفاده از Rust تنها به ویژگی های امنیتی آن محدود نمی شود و شامل فواید عملی است که آن را به گزینه ای جذاب برای بسیاری از پروژه ها از کوچک تا سطح شرکتی، تبدیل می کند.

• ایمنی حافظه (Memory Safety): مدل مالکیت Rust به طور ذاتی از خطاهای رایج مانند ارجاع دهی به مرجع نامعتبر (Null Reference)، سرریز شدن بافر (Buffer Overflow) و Data Race جلوگیری می کند. این ویژگی، برنامه های نوشته شده با Rust ذاتا ایمن تر شوند.
• عملکرد بالا (High Performance): تأکید Rust بر Zero-Cost Abstractions به این معنی است که می تواند عملکردی مشابه با C و C++ داشته باشد، بدون اینکه بار اجرایی اضافی (Runtime Overhead) داشته باشد. این ویژگی برای سیستم هایی که عملکرد و کارآیی در مصرف منابع حیاتی است، بسیار مهم می باشد.
• همزمانی ایمن (Safe Concurrency): رویکرد Rust به همزمانی، همزمانی بدون ترس (Fearless Concurrency) نامیده می شود. این ویژگی به توسعه دهندگان امکان می دهد تا برنامه هایی بنویسند که از رقابت های دسترسی همزمان به داده ها (Data Races) و بن بست ها (Deadlocks) که در برنامه های چندنخی (Multi-threaded) رایج هستند، آزاد باشند. این امر بدون تأثیر قابل توجه بر خوانایی یا پیچیدگی کد انجام می شود.

راه اندازی پروژه های بزرگ با Rust

برای درک عمیق تر از تأثیر Rust در دنیای واقعی برنامه نویسی، نگاهی به چند مورد استفاده واقعی از این زبان می اندازیم. سازمان ها و پروژه های بزرگی به Rust روی آورده اند تا از امنیت بالا و کارایی بی نظیر آن بهره مند شوند.

• Amazon Web Services: یکی از بزرگ ترین ارائه دهندگان خدمات ابری در جهان، Rust را برای برخی از اجزای نرم افزاری خود به کار گرفته است. این استفاده نشان دهنده اعتماد به کارایی و امنیتی است که این زبان می تواند در محیط های تولید بزرگ و مقیاس پذیر ارائه دهد.
• Google: نیز در پروژه های خود مانند Fuchsia که یک سیستم عامل جدید است از Rust استفاده می کند. این سیستم عامل با هدف بهبود امنیت و قابلیت اطمینان طراحی شده است و استفاده از این زبان به آن کمک می کند تا این هدف ها را بهتر محقق سازد.
• Mozilla: یکی از حامیان کلیدی Rust، آن را در بخش هایی از موتور مرورگر خود یکپارچه کرده و به طور قابل توجهی تعداد آسیب پذیری های امنیتی را کاهش داده است.
• Dropbox: از Rust برای بخش های مهمی از زیرساخت بک اند خود استفاده می کند و عملکرد و قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد.
• Cloudflare: از این زبان برای نوشتن سرویس های شبکه امن با حافظه استفاده می کند.

شروع کار با Rust

برای کسانی که علاقه مند به کاوش در Rust هستند، شروع کار ساده است:

گام اول: نصب Rust

Rust را می توان با rustup نصب کرد که نسخه های این زبان و ابزارهای مرتبط را مدیریت می کند. rustup ابزار استانداردی است برای نصب Rust که به راحتی مدیریت نسخه های مختلف و ابزارهای مربوطه را ممکن می سازد. برای نصب دستور زیر را در ترمینال خود وارد کنید:

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

توجه: برای نصب بر روی ویندوز می توانید از وب سایت رسمی Rust فایل ۳۲ یا ۶۴ بیتی را دانلود و نصب نمایید.

گام دوم: نوشتن اولین برنامه

پس از نصب Rust، می توانید برنامه اول خود را بنویسید:

fn main() {
    println!("Hello, Rust!");
}

این کد را در یک فایل با نام main.rs ذخیره کنید، سپس آن را با دستورات زیر در ترمینال خود کامپایل و اجرا کنید:

rustc main.rs ./main

مقایسه Rust با C و C++

در مقایسه با زبان های قدیمی تر مانند C و C++، زبان Rust ارائه دهنده تضمین های امنیتی قوی تر در حافظه و مدیریت خطا است. در حالی که C و C++ به دلیل قدرت و کنترل بالایی که به برنامه نویسان می دهند شناخته شده اند، این زبان ها همچنین مستعد خطاهای حافظه مانند overflow و memory leaks هستند. Rust با حذف این خطاهای رایج، تجربه ای امن تر و مدرن تر را ارائه می دهد. این زبان قدرتمند اغلب با زبان های برنامه نویسی سیستمی مستقر مانند C و C++ مقایسه می شود، زیرا بر جزئیات کم سطح مدیریت سیستم تمرکز دارد. در اینجا یک مقایسه دقیق ارائه شده است:

مدیریت حافظه

• C/C++: مدیریت حافظه دستی مستعد خطای انسانی است و منجر به مشکلاتی مانند نشت حافظه، نقاط ارجاع دار و سرریز بافر می شود.
• Rust: مدیریت حافظه را از طریق سیستم مالکیت خود به صورت خودکار انجام می دهد، که این خطاهای رایج را به طور مؤثری حذف می کند.

همزمانی

• C/C++: همزمانی در C/C++ نیاز به برنامه نویسی دقیق دارد تا از دام هایی مانند رقابت های داده ای و بن بست ها اجتناب شود.
• Rust: تضمین های همزمانی تعبیه شده ای ارائه می دهد که نوشتن برنامه های چندنخی مطمئن را بسیار ایمن تر و آسان تر می کند.

ایمنی و امنیت

• C/C++: در حالی که قدرتمند هستند، این زبان ها فضای زیادی برای خطاهای ظریف و آسیب پذیری های امنیتی به دلیل دسترسی مستقیم به حافظه فراهم می کنند.
• Rust: رویه های کدنویسی ایمن را اجبار می کند که این نوع خطاها را در زمان کامپایل جلوگیری می کند و امنیت را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

عملکرد

هر دو Rust و C/C++ برای عملکرد بالای خود شناخته شده اند. با این حال، طراحی Rust اطمینان حاصل می کند که عملکرد توسط ویژگی های ایمنی آن تضعیف نمی شود و اغلب عملکردی مشابه با C++ دارد.

نگاه به آینده: توسعه و گسترش Rust

Rust همچنان در حال رشد و توسعه است. با پشتیبانی مداوم از طرف موسسه Rust و جامعه ی بزرگ آن، این زبان برنامه نویسی ادامه دارد تا نوآوری های خود را در زمینه های امنیت نرم افزار و کارایی بیشتر توسعه دهد. آینده ای که در آن Rust نقش بزرگ تری در توسعه نرم افزارهای امن و کارآمد بازی خواهد کرد، دور از انتظار نیست.

چگونه Rust را یاد بگیریم؟

برای کسانی که به تازگی با Rust آشنا شده اند یا علاقه مند به تعمیق دانش خود در این زبان هستند، منابع آموزشی فراوانی در دسترس است. از کتاب های رسمی مانند "The Rust Programming Language" که به طور عامیانه به "The Book" معروف است و Rust by Example مجموعه ای از نمونه های قابل اجرا را ارائه می دهد که مفاهیم مختلف Rust و کتابخانه های استاندارد را نشان می دهند تا دوره های آنلاین و ورکشاپ های تخصصی، افراد می توانند با تمرین و مطالعه به سطح تسلط در Rust دست یابند.

جامعه Rust پرجنب و جوش و خوش آمدگویی است. تازه واردان می توانند از منابع متعدد و انجمن های برنامه نویسی در سطح اینترنت بهره ببرند. این کامیونیتی ها مکان های عالی برای دریافت بازخورد، پیدا کردن راهنما و مشارکت در پروژه های مشترک هستند.

[note]

اگر شما جزو علاقمندان به یادگیری زبان Rust هستید و تمایل دارید این زبان برنامه نویسی را دنبال کنید پیشنهاد می کنیم دوره آموزش Rust مقدماتی را ببینید.

[/note]

جمع بندی

Rust یک گام مهم رو به جلو در برنامه نویسی سیستم است. این زبان ترکیبی از عملکرد و کنترل مورد نیاز برای برنامه نویسی سیستم های کم سطح را با ایمنی و امکانات مدرن که امروزه در توسعه نرم افزار انتظار می رود، فراهم می کند. برای کسانی که با برنامه هایی سر و کار دارند که در آن ها ایمنی، عملکرد و همزمانی حیاتی است، Rust مزایای قانع کننده ای ارائه می دهد.

محبوبیت و پذیرش رو به رشد این زبان در صنایع مختلف نشان دهنده اثربخشی و پتانسیل آن است. این زبان نه تنها بسیاری از نقایص زبان های قدیمی تر را برطرف می کند، بلکه ویژگی های جدیدی را معرفی می کند که رویه های بهتر برنامه نویسی را ترویج می دهند.

اگر در نظر دارید Rust را برای پروژه بعدی خود انتخاب کنید، اکنون زمان خوبی برای شروع است. ابزارهای قوی زبان، جامعه پرانرژی و اکوسیستم غنی آن، این زبان را به انتخابی عالی برای توسعه نرم افزار مدرن تبدیل کرده است. با آزمایش پروژه های کوچک شروع کنید تا با پارادایم ها و ویژگی های Rust آشنا شوید. در جامعه فعال شوید و از منابع گسترده ای که در دسترس است برای به حداکثر رساندن تجربه یادگیری خود استفاده کنید. به جامعه Rust بپیوندید و ببینید چگونه می تواند رویکرد شما به برنامه نویسی سیستم را متحول کند!