Rust — будущее системного программирования
Не так давно компания Google объявила, что в Android теперь поддерживается язык программирования Rust. В этой статье мы хотим показать, как язык Rust становится востребованным в разработке ядра Linux, в программировании микроконтроллеров и зачем нужен Rust и его польза для всей индустрии Embedded. В этом статье на нескольких простых примерах рассмотрим технические аспекты языка Rust для Embedded.
Rust – это язык системного программирования, предназначенный для обеспечения безопасности, скорости и параллелизма. Rust имеет множество функций времени и безопасности во время компиляции, чтобы избежать сбоев данных и общих ошибок, все с минимальными издержками до нуля. Язык сфокусирован на безопасной работе с памятью, обеспечивает автоматическое управление памятью и предоставляет средства для достижения высокого параллелизма выполнения заданий, при этом обходясь без использования сборщика мусора и runtime. Автоматическое управление памятью в Rust избавляет разработчика от манипулирования указателями и защищает от проблем, возникающих из-за низкоуровневой работы с памятью, таких как обращение к области памяти после её освобождения, разыменование нулевых указателей, выход за границы буфера и т.п. Для распространения библиотек, обеспечения сборки и управления зависимостями проектом развивается пакетный менеджер Cargo, позволяющий получить нужные для программы библиотеки в один клик. Cargo – это инструмент, который позволяет указывать необходимые зависимости для проектов на языке Rust и убедиться, что вы получите воспроизводимые сборки.
У Rust много плюсов:
- Отличная статическая типизация;
- Отсутствие сборщика мусора и возможность контролировать место размещения данных в памяти;
- Отличный встроенный статический анализатор кода, который позволяет избегать ошибок, связанных с управлением памятью и многопоточностью;
- Понятный синтаксис;
- Компилятор от разработчиков Rust со встроенным менеджером и сборщиком пакетов, системой тестов и генератором документации;
- Безопасная работа с памятью;
- Возможность применять абстракции;
- Для многих ошибок во время компиляции приводятся варианты исправления;
- Указатели можно использовать только в небезопасном коде, в безопасном коде применяются исключительно ссылки на гарантированно существующие объекты;
- Очень строгий компилятор кода;
- Предсказуемое выделение и освобождение памяти;
- Замыкания;
- Сопоставление с образцом;
- Алгебраические типы данных и т.п.
Rust для программирования микроконтроллеров
Уже сегодня язык Rust в компании ShuraCore является любимым языком программирования у разработчиков, все больше клиентов при разработке ПО хотят видеть Rust, как базовый язык разработки софта, Embedded не исключение. Вот несколько пунктов почему Rust уже равный конкурент C/C++ в Embedded.
- Мощный статический анализ. Принудительная настройка контактов и периферийных устройств во время компиляции. Гарантия того, что ресурсы не будут использоваться не предназначенными частями приложения.
- Гибкая память. Динамическое распределение памяти не является обязательным. Используйте глобальный распределитель и динамические структуры данных. Или вообще исключить кучу и статически распределить всё.
- Написание параллельного кода без страха. Rust делает невозможным случайное разделение состояния между потоками. Используйте любые подходы к параллелизму, которые вам нравятся, и вы всё равно получите строгие гарантии Rust.
- Совместимость. Интегрируйте Rust в вашу существующую кодовую базу на C или используйте существующий SDK для написания приложения на Rust.
- Переносимость. Один раз напишите библиотеку или драйвер и используйте его с разными системами начиная от очень маленьких микроконтроллеров, до мощных интегрированных плат.
- Движимый сообществом. В рамках open source проекта Rust, поддержка встраиваемых систем движется, при поддержке коммерческих партнёров, лучшим в своём классе open source сообществом.
Мы подготовили небольшой пример мигания светодиодами на отладочной плате STM32f429i-disco.
cargo-features = ["default-run"]
[package]
authors = ["ShuraCore info@shuracore.com"]
categories = ["embedded", "no-std"]
name = "stm32f429i_disco"
version = "0.1.0"
edition = "2018"
[dependencies]
cortex-m = "0.6.2"
cortex-m-rt = "0.6.12"
panic-halt = "0.2.0"
[dependencies.stm32f4]
version = "0.10.0"
features = ["stm32f429", "rt"]
[dependencies.stm32f4xx-hal]
version = "0.7"
features = ["rt", "stm32f429"]
#![deny(unsafe_code)]
#![no_main]
#![no_std]
// Halt on panic
#[allow(unused_extern_crates)]
extern crate panic_halt; // panic handler
use cortex_m;
use cortex_m_rt::entry;
use stm32f4xx_hal as hal;
use crate::hal::{prelude::*, stm32};
#[entry]
fn main() -> ! {
if let (Some(dp), Some(cp)) = (
stm32::Peripherals::take(),
cortex_m::peripheral::Peripherals::take(),
) {
// Set up the LEDs. On the stm32f429i-disco they are connected to pin PG13 and PG14.
let gpiog = dp.GPIOG.split();
let mut led3 = gpiog.pg13.into_push_pull_output();
let mut led4 = gpiog.pg14.into_push_pull_output();
// Set up the system clock. We want to run at 180MHz for this one.
let rcc = dp.RCC.constrain();
let clocks = rcc.cfgr.sysclk(180.mhz()).freeze();
// Create a delay abstraction based on SysTick
let mut delay = hal::delay::Delay::new(cp.SYST, clocks);
loop {
// On for 1s, off for 1s.
led3.set_high().unwrap();
led4.set_low().unwrap();
delay.delay_ms(1000_u32);
led3.set_low().unwrap();
led4.set_high().unwrap();
delay.delay_ms(1000_u32);
}
}
loop {}
}
Rust для разработки драйверов Linux
В 2020 году разработчики ядра Linux предложили использовать Rust для разработки нового кода. В марте 2021 года эта идея была частично реализована — в состав ветки linux-next, на которой базироваться Linux 5.13, включили начальный набор компонентов для разработки драйверов устройств на Rust. Корпорация Google уже заявила о намерении принять участие в инициативе по продвижению поддержки Rust в ядро Linux. Компания привела примеры целесообразности внедрения Rust для борьбы с проблемами, которые возникают из-за ошибок при работе с памятью. Представители компании также считают, что Rust вполне готов присоединиться к C, став еще одним языком разработки компонентов ядра Linux.
Вашему вниманию пример драйвера для Linux на языке Rust.
[package]
name = "test_example"
version = "0.1.0"
authors = ["ShuraCore <info@shuracore.com>"]
edition = "2018"
[lib]
crate-type = ["staticlib"]
[dependencies]
linux-kernel-module = { path = ".." }
[profile.release]
panic = "abort"
lto = true
[profile.dev]
panic = "abort"
#![no_std]
#![feature(alloc)]
extern crate alloc;
use crate::alloc::string::{String, ToString};
use linux_kernel_module::c_types;
use linux_kernel_module::println;
struct ShuraCoreModule {
message: String,
}
impl linux_kernel_module::KernelModule for ShuraCoreModule {
fn init() -> linux_kernel_module::KernelResult {
println!("Hello from ShuraCore!");
Ok(ShuraCoreModule {
message: "Hello ShuraCore!".to_string(),
})
}
}
impl Drop for ShuraCoreModule {
fn drop(&mut self) {
println!("Goodbye from ShuraCore!");
}
}
static mut MODULE: Option = None;
#[no_mangle]
pub extern "C" fn init_module() -> c_types::c_int {
match ::init() {
Ok(m) => {
unsafe {
MODULE = Some(m);
}
return 0;
}
Err(_e) => {
return 1;
}
}
}
#[no_mangle]
pub extern "C" fn cleanup_module() {
unsafe {
MODULE = None;
}
}
#[link_section = ".modinfo"]
pub static MODINFO: [u8; 12] = *b"license=GPL\0";
Статистика
В тенденциях Google вы можете увидеть, как результаты поиска Rust растут из года в год, все потому что у Rust народная любовь.
Когда дело доходит до популярности, Rust на первом месте. С 2015 года Rust был признан разработчиками самым любимым языком программирования в опросе разработчиков Stack Overflow пять лет подряд (2016, 2017, 2018, 2019, 2020):
Все больше и больше корпораций и компаний используют Rust в коммерческой разработке, вот их небольшая часть: Dropbox, Coursera, Figma, npm, Microsoft, Cloudflare, Facebook, Amazon, Discord и другие крупные игроки. По официальной статистике уже более 300 компаний по всему миру используют Rust в коммерческой разработке.
Итого, Rust – это язык системного программирования, который сочетает в себе гарантии надёжности и корректности процесса формирования программного обеспечения во время компиляции с высокой производительностью. Он улучшает идеи других системных языков, таких как С/C++, обеспечивая при этом гарантированную безопасность памяти (без сбоев, без скачков данных) и полный контроль над жизненным циклом памяти. Цель Rust – показать высокую продуктивность программного обеспечения в конкретных областях использования. Наша команда специалистов использует Rust в качестве языка программирования для создания системного программного обеспечения нового уровня со взглядом на завтрашний день. Инженеры ШураКор разрабатывают ПО для следующих областей применения:
- Аудио, видео
- База данных, текстовые редакторы
- Инструменты безопасности, криптография
- Операционные системы, файловые системы
- Встроенное ПО, аппаратное обеспечение, создание прошивок
- Аутентификация, обработка данных, структуры данных
- Сетевое программирование, электронная почта, веб-программирование
- Функциональное программирование
- FFI, тестирование, распознавание образов