Rust (linguaggio di programmazione)

L'obiettivo di Rust è di essere un buon linguaggio per creare sistemi complessi altamente sicuri, anche nel caso siano multi threaded. Ciò ha condotto a un insieme di caratteristiche che enfatizzano le prestazioni, il controllo dell'allocazione di memoria, la sicurezza e la concorrenza.

Riguardo alle prestazioni, ogni tipico programma scritto in Rust ha una maggiore sicurezza sulla scrittura in memoria rispetto al C++ cercando di mantenere la stessa velocità di quest'ultimo per la maggior parte delle applicazioni^[9]. I tempi di compilazione sono però più lunghi.

Riguardo all'allocazione di memoria, ogni tipo usa un numero di bit definito dal linguaggio e ha un allineamento definibile dal programmatore, inoltre non viene usata la garbage collection, consentendo una deallocazione deterministica della memoria.

Riguardo alla sicurezza, il linguaggio vieta costrutti dal comportamento indefinito, come la lettura di variabili non ancora scritte, l'accesso oltre i limiti di array, la dereferenziazione di puntatori nulli o non validi, l'uso di iteratori invalidati.

Nonostante l'assenza di garbage collection, la memoria allocata dinamicamente viene deallocata automaticamente grazie al fatto che il compilatore inserisce le opportune istruzioni quando le variabili escono dal proprio ambito di visibilità. I memory leak sono considerati sicuri, ma si possono verificare solo in particolari situazioni: ad esempio chiamando apposite funzioni di libreria (Box::leak, std::mem::forget, ...) o creando cicli di puntatori reference counted (Rc, Arc).

Riguardo alla sicurezza della concorrenza, il linguaggio impedisce operazioni concorrenti dall'esito indefinito, come l'accesso simultaneo in scrittura alla stessa variabile.

La sintassi di Rust somiglia a quella del linguaggio C per l'uso delle graffe per racchiudere strutture o blocchi di istruzioni, per gli operatori aritmetici e logici, e per le parole chiave di controllo del flusso if, else, for, while, break, continue, e return. I tipi primitivi di Rust sono analoghi ai tipi del C, anche se con nomi quasi tutti diversi. Tuttavia la semantica di Rust è parecchio diversa da quelle di C e C++.

Il sistema dei tipi supporta un costrutto detto trait, ispirato dal linguaggio Haskell, che consente l'ereditarietà multipla di interfacce, ma non l'ereditarietà di implementazione. Questa ereditarietà può essere sia statica, analoga ai trait dei template del C++, sia dinamica, analoga alle funzioni virtuali del C++.

Rust è dotato di inferenza di tipo, cioè ogni volta che si dichiara una variabile locale, è facoltativo dichiararne il tipo. Quest'ultimo viene desunto dall'espressione di inizializzazione o dalle successive istruzioni di assegnamento a tale variabile.

Non è obbligatorio inizializzare le variabili. Tuttavia viene generato errore di compilazione se una variabile viene usata prima di ricevere un valore, o se le vengono assegnati valori di tipi diversi.

Le classi (chiamate struct) e le funzioni possono essere parametrizzate da tipi in modo analogo ai template del C++. Tuttavia questi tipi parametrici devono essere vincolati a dei trait per poterne usare i metodi o gli operatori.

Rust si differenzia da molti altri linguaggi object-oriented per le seguenti scelte progettuali:

• si usano i concetti di "proprietà" (in inglese ownership) degli oggetti, e di "prestito" (in inglese borrowing) degli oggetti per decidere quali istruzioni possono leggere un oggetto e quali lo possono scrivere;
• si consente, e talvolta si richiede, che il programmatore specifichi un "tempo di vita" (in inglese lifetime) associato a oggetti gestiti tramite puntatori, per decidere quando tali oggetti devono essere distrutti;
• non si usa il concetto di eccezione;
• non si usa l'ereditarietà di implementazione, cioè ogni classe può ereditare solo da interfacce, non da altre classi;
• le classi non sono oggetti, ovvero non esistono metaclassi;
• le classi non hanno eredità implicita da una interfaccia comune;
• non si usa l'overload delle funzioni, cioè nello stesso ambito le funzioni devono avere nomi diversi;
• non si usa né la riflessione né la valutazione di espressioni in fase di esecuzione (eval).

Lo stile del sistema ad oggetti è cambiato considerevolmente tra le versioni 0.2, 0.3 e 0.4 di Rust. La version 0.2 ha introdotto le classi. La versione 0.3 ha aggiunto alcune funzionalità tra cui i distruttori e il polimorfismo tramite l'uso delle interfacce. In Rust 0.4, i trait sono stati aggiunti come mezzo per fornire l'ereditarietà, le interfacce sono state unificate nei trait e quindi rimosse come funzionalità distinta. Anche le classi sono state rimosse, sostituite da una combinazione di strutture e di implementazioni.

A partire dalla versione 0.9 e fino alla versione 0.11, Rust aveva due tipi di puntatori, ~ e @, il che semplificava il modello di memoria interno. Il primo di quei tipi di puntatori è stato sostituito dalla funzione di libreria Box e il secondo, che usava la garbage collection, è stato eliminato.

Dato che il motivo principale per cui nessuno adottava Rust era il fatto che il linguaggio ad ogni cambio di versione diventava incompatibile con la versione precedente, all'uscita della 1.0, la prima versione stabile, è stato promesso che le successive versioni 1.x sarebbero state compatibili con essa.

L'8 febbraio 2021 lo sviluppo del linguaggio passa ufficialmente sotto il controllo della Rust Foundation^[10], organizzazione non-profit indipendente, finanziata da Mozilla, Microsoft, Google, AWS e Huawei.

Le caratteristiche di sicurezza, concorrenza e le elevate prestazioni di Rust hanno attirato l'interesse di molte realtà differenti, portando il linguaggio ad essere usato in diversi ambiti.

Di seguito alcuni esempi:

• Sviluppo web: scrittura di codice WebAssembly; sviluppo di applicazioni web con il framework Rocket.
• Applicazioni server: Dropbox ha usato Rust per implementare un proprio back-end, separandosi dai servizi Amazon^[11]; Cloudflare ha usato Rust per implementare un interprete TCP/IP^[12] ad alte prestazioni.
• Sviluppo di videogiochi: scrittura di motori grafici, come ad esempio Bevy; lo studio di Ready at Dawn usa Rust come linguaggio principale per lo sviluppo di nuovi giochi^[13].
• Sistemi operativi: implementazione di nuovi driver all'interno del kernel Linux^[14]; sviluppo di Redox, un SO Unix-like scritto interamente in Rust; Google Fuchsia contiene parti scritte in Rust e supporta il linguaggio per la scrittura di applicazioni native^[15].
• Sviluppo embedded: scrittura e compilazione del codice in formato binario per core ARM Cortex-M^[16] ed altri target, sprovvisti del supporto di un sistema operativo.

Hello world:

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

Tre versioni della funzione fattoriale, rispettivamente usando gli stili ricorsivo, iterativo, e funzionale:

/* Le diramazioni in questa funzione esibiscono i valori di ritorno
senza usare la parola 'return', che è facoltativa, così da ottenere
uno stile più "funzionale". Notare l'assenza del punto e virgola dopo le 
istruzioni proprio per indicare che quello costituisce il valore di ritorno.
Diversamente dal C e dai linguaggi analoghi, il costrutto 'if' di Rust
è un'espressione invece di un'istruzione, e quindi ha un suo valore
di ritorno, analogamente all'operatore ternario '?:' del C. */
fn fattoriale_ricorsivo(n: u32) -> u32 {
    if n <= 1 {
        1
    } else {
        n * fattoriale_ricorsivo(n - 1)
    }
}

fn fattoriale_iterativo(n: u32) -> u32 {
    /* Le variabili sono dichiarate con la parola 'let'.
     La parola 'mut' consente a queste variabili di venire mutate. */
    let mut i = 1u32;
    let mut risultato = 1u32;
    while i < n {
        i += 1;
        risultato *= i;
    }
    /* Ritorno esplicito, diversamente dalla funzione precedente.
    Questo è considerato "poor-style". La parola chiave return è accettata 
    solo per l'uscita anticipata da una funzione. */
    return risultato;
}

fn fattoriale_funzionale(n: u32) -> u32 {
    /* Gli iteratori hanno vari metodi di trasformazione.
    |accum, x| inizia una funzione anonima (lambda, o "closure" secondo la 
    terminologia usata dalla comunità di Rust).
    Le ottimizzazioni come l'espansione inline rendono questa versione
    tanto efficiente quanto quella iterativa. */
    (1..n).fold(1, |accum, x| accum * (x + 1))
}

fn main() {
    println!("Risultato ricorsivo: {}", fattoriale_ricorsivo(10));
    println!("Risultato iterativo: {}", fattoriale_iterativo(10));
    println!("Risultato funzionale: {}", fattoriale_funzionale(10));
}

Una semplice dimostrazione delle potenzialità di concorrenza di Rust:

use std::thread;

// Questa funzione crea e avvia dieci thread concorrenti.
// Per verificarlo, si esegua il programma più volte e si osservi l'ordine
// irregolare con cui stampa ogni thread.
fn main() {
    // Questa stringa è immutabile,
    // perciò può essere acceduta in sicurezza da più thread.
    let saluto = "Ciao";

    let mut threads = Vec::new();
    // I cicli 'for' operano con qualunque tipo che implementi
    // il trait 'Iterator'.
    for num in 0..10 {
        threads.push(thread::spawn(move || {
            // 'println!' è una macro che verifica staticamente 
            // la stringa di formato. Le macro sono strutturali
            // (come in Scheme), non testuali (come in C).
            println!("{} dal thread numero {}", saluto, num);
        }));
    }

    // Attende la terminazione di ogni thread prima di uscire dal programma.
    for thread in threads {
        thread.join().unwrap();
    }
}

Ecco una dimostrazione degli smart pointer univoci forniti da Rust, insieme alle union taggate e ai metodi:

use ListaInteri::{Nodo, Vuoto};

// Questo programma definisce una struttura dati ricorsiva e implementa
// dei metodi su essa. Le strutture dati ricorsive richiedono
// un livello di indirezione, che qui viene fornito da un puntatore univoco,
// costruito tramite il costruttore 'Box::new'. Questi sono analoghi
// al tipo della libreria standard del C++ 'std::unique_ptr',
// sebbene con maggiori garanzie statiche di sicurezza.
fn main() {
    let lista = ListaInteri::new().prependi(3).prependi(2).prependi(1);
    println!("Somma di tutti i valori della lista: {}.", lista.somma());
    println!("Somma di tutti i valori raddoppiati della lista: {}.",
        lista.moltiplica_per(2).somma());
}

// 'enum' definisce una variante (tagged union), che in fase di esecuzione 
// può valere una di diversi casi.
// Qui un oggetto di tipo 'ListaInteri' o non contiene alcun valore,
// cioè vale 'Vuoto', oppure contiene un numero intero e un puntatore
// a un altro oggetto di tipo 'ListaInteri', cioè vale 'Nodo' con i suoi
// due campi posizionali.
enum ListaInteri {
    Nodo(i32, Box<ListaInteri>),
    Vuoto
}

// Un blocco 'impl' consente di aggiungere definizioni di metodi a un tipo.
// Qui si definiscono per il tipo 'ListaInteri' i metodi
// 'new', 'prependi', 'somma', e 'moltiplica_per'. 
impl ListaInteri {
    fn new() -> Box<ListaInteri> {
        Box::new(Vuoto)
    }

    fn prependi(self, valore: i32) -> Box<ListaInteri> {
        Box::new(Nodo(valore, Box::new(self)))
    }

    fn somma(&self) -> i32 {
        // Le espressioni 'match' sono il modo tipico di effettuare
        // il pattern-matching. Sostituiscono il costrutto 'switch'
        // del linguaggio C, ma sono molto più potenti.
        match *self {
            Nodo(valore, ref prossimo) => valore + prossimo.somma(),
            Vuoto => 0
        }
    }

    fn moltiplica_per(&self, n: i32) -> Box<ListaInteri> {
        match *self {
            Nodo(valore, ref prossimo) =>
                Box::new(Nodo(valore * n, prossimo.moltiplica_per(n))),
            Vuoto => Box::new(Vuoto)
        }
    }
}

• C++
• Go
• Zig

•   Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Rust

• (EN) Sito ufficiale, su rust-lang.org.  
• (EN) Blog ufficiale, su blog.rust-lang.org.  
• Rust (canale), su YouTube.  
• (EN) Opere riguardanti Rust (Computer program language) / Rust (Computer programming language) / Rust (Programming language) / Rust (System programming language), su Open Library, Internet Archive.  
• (EN) Rust, su GitHub.  
• Repository sorgenti di Rust, su github.com.  
• (EN) Rust, su Free Software Directory.  
• Rust Playground – Sito Web in cui scrivere, compilare ed eseguire codice Rust
• Il linguaggio di programmazione Rust – Traduzione del testo ufficiale "The Rust Programming Language"