引言:在工作里使用 Rust 已经有两个多月的时间了,谈谈我做为一名多年的 C 系(C、C++)程序员,对 Rust 的初体验。
一个C系程序员的Rust初体验
最近由于工作的原因,使用上了 Rust 语言,在此之前我有多年的 C、C++ 编码经验(以下将C、C++ 简称 C 系语言)。
使用 C 系语言编码时,最经常面对的问题就是内存问题,诸如:
- 野指针(Wild Pointe):使用了不可知的指针变量,如已经被释放、未初始化、随机,等等。
- 内存地址由于访问越界等原因被覆盖(overflow),这不但是可能出错的问题,还有可能成为程序的内存漏洞被利用。
- 内存分配后未回收。
连 Chrome 的报告都指出,Chrome 中大约 70% 的安全漏洞都是内存问题。见:Memory safety[1]。
C 系语言发展到今天,已经有不少可以用于内存问题检测的利器了,其中最好用的莫过于 AddressSanitizer[2],它的原理是在编译时给程序加上一些信息,一旦发生内存越界访问、野指针等错误都会自动检测出来。
但是即便有这些工具,内存问题也不好解决,其核心的原因在于:这些问题绝大部分都是运行时(Runtime)问题,即要在程序跑到特定场景的时候才会暴露出来,诸如上面提到的 AddressSanitizer 就是这样。
都知道解决问题的第一步是能复现问题,而如果一个问题是运行时问题,这就意味着:复现问题可能会是一件很麻烦的事情,有时候还可能到生产环境去复现。
以我之前经历的一个 Bug 来看这类工作的复杂度,见 线上存储服务崩溃问题分析记录 - codedump 的网络日志[3],这是一个很典型的发生在生产环境上由于内存错误导致的崩溃问题:
- 不好复现,因为跟特定的请求相关,还跟线程的调度有关;
- 本质是由于使用了被释放的内存导致的错误。
这个线上问题,记得当时花了一周时间来复现问题解决。
换言之,如果一个问题要等到运行时才能发现,那么可以预见的是:一旦出现问题,要复现问题可能要花费大量的精力,以及需要很多经验才行。如果一个问题还是在特定场景,或者用户现场才出现的,那就更麻烦了,C 系程序员以往一般都是这样来保存“现场”:
- 出现崩溃的时候保存 core 文件来查看调用堆栈、变量等信息。
- 发明了各种复制流量重放的工具,比如 tcpcopy[4] 等。
总而言之,运行时问题一旦出现是很麻烦的,而解决这类问题的时间是难以预期的。
Rust 给这类内存问题的解决提供了另一个解决思路:
- 一个内存地址同时只能被一个变量使用。
- 不能使用未初始化的变量。
- ...
简而言之,凡是可能出现内存错误的地方,都在语言的语法层面给予禁止,换来的就是更多的编译时间,因为要做这么多检查嘛,而需要更多的编译时间反过来就需要更好的硬件。我想这也是 Rust 到了最近几年才开始慢慢流行开来的原因之一,毕竟即便是现在,一些大型的 Rust 项目普通的机器编译起来也还是很耗时。
“编译时间(compile time)”是一个可以预期的固定时间,能通过增加硬件性能(比如买更好的机器来写 Rust)来解决;而“运行时问题”一旦出现,查找起来的时间、精力、场景(比如出现在用户现场、几百万次才能重现一次等)不确定性可就很高了。
两者权衡,我选择解决“编译时间”问题。而且,在我意识到有这样的工具能够在编译期解决大部分内存问题时,反过来再看使用 C 系语言的项目,几乎可以预期的是:只要代码和复杂度上了一定规模,那么这类项目都要花上相当的一段时间才能稳定下来。原因在于:类似内存问题这样的运行时问题,是需要场景去积累,才能暴露出来的,而场景的积累,就需要很多的小白鼠和运行时间了。
总结一下我的观点:
- C 系语言最多的问题就是各类内存问题,而这些问题大多是运行时问题。即便现在已经有了各种工具,解决其运行时问题也很困难。
- Rust 解决这类问题的思路,是在语法层面禁止一切可能出现内存问题的操作,换来的代价就是更多的编译时间。
- 解决可预期的“编译时间”和难预期的“运行时问题”,我选择前者。
番外篇
rr
rr: lightweight recording&deterministic debugging[5] 也是出自 Mozilla 的另一款调试 C 系程序的利器,rr 是 Record and Replay 的简称,目的还是为了解决各种运行时问题,由于运行时问题中存在着各种不确定的因素,包括:
- 变量值。
- 进程、线程环境,比如不同的线程调度顺序可能导致了不同的结果。
- 输入不同的数据,能得到不同的结果。
于是,rr 要解决的核心问题,就是让一个程序在运行时有一个固定的环境,它可以抓取程序运行的环境保存下来。这样在出现问题之后,就能使用它可以记录下来程序运行时的环境,不停的重放来调试解决问题。
但是,即便是这样,rr 可能更适合于明确知道问题的情况下去抓取环境,不可能在线上直接打开这个工具。所以又回到前面的结论了:调试运行时问题可能面对的困难,包括场景、时间、用户现场等等不确定因素。
rr 和 Rust 一样,都出自 Mozilla,我想不是偶然的。Mozilla 和 chrome 等一样,都是使用 C++ 编码的超大型项目,而这里一定遇到了各种运行时问题,不止于内存问题,所以才要使用各种工具来辅助解决这类问题。
吃上硬件升级的红利了吗?
前面提到过,Rust 目前较大的问题是编译时间过长,这可能是导致它最近几年才开始逐渐流行开来的原因。其实反过来说,在硬件升级之后,应该能尽量利用上硬件,在编译期尽量多检查出错误来,减少运行时发现问题的数量。这样,才能吃上硬件升级的红利,利用硬件来减少自己的犯错。
一方面硬件升级给了编程语言能施展更大、更快的的“舞台”,随着舞台的更新,就会有更新、更好的工具出现;另一方面做为从业者,也应该与时俱进,多学习跟进这些工具的演进。
我看到有一些人,强调自己多早就已经用 C 语言写代码了,但是查内存问题还在用慢的不行的 Valgrind,没听过更不知道怎么用 Address Sanitizer。想说如果技能点都已经不更新了,强调多早学的有什么意义?好比 1950 年就会打算盘,有意义吗?强调多早就用 C 语言类似的言论,在我看来就是“倚老卖老”,但是技术日新月异的领域,卖老的意义不大。
《Rust for Rustaceans》
推荐 Rust for Rustaceans[6] 作者 Jon Gjengset 的油管频道:https://www.youtube.com/c/Jon...
有很多很有深度的 Rust 分享,比如:
- Implementing TCP in Rust (part 1) - YouTube[7]
- Porting Java's ConcurrentHashMap to Rust (part 1) - YouTube[8]
参考资料
[1]Memory safety: https://www.chromium.org/Home...
[2]AddressSanitizer: https://en.wikipedia.org/wiki...
[3]线上存储服务崩溃问题分析记录 - codedump的网络日志: https://www.codedump.info/pos...
[4]tcpcopy: https://github.com/session-re...
[5]rr: lightweight recording & deterministic debugging: https://rr-project.org/
[6]Rust for Rustaceans: https://rust-for-rustaceans.com/
[7]Implementing TCP in Rust (part 1) - YouTube: https://www.youtube.com/watch...\_VAm8SXwt1X
[8]Porting Java's ConcurrentHashMap to Rust (part 1) - YouTube: https://www.youtube.com/watch...\_Za1187rNfnl
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