为什么物联网领域使用Rust的项目越来越多？

不看这几篇好文，就别说自己了解物联网

 

1. 概述        

     

        Rust是由Mozilla员工Graydon Hoare于2006年作为个人项目而创造，Mozilla于2009年开始赞助该项目。2012年，第一个Rust编译器发布，2015年第一个Rust1.0稳定版本发布，目前，Rust已加发展到1.51版本。

       2021年2月8日，Rust基金会成立，Rust商标及所有权移交给基金会。基金会创始白金成员包括亚马逊、微软、谷歌、华为和Mozilla，白金会员Facebook。

截止到2021年5月，Rust在TOIBE编程语言排行榜上排名24%，占比0.66%。

 

2. Rust功能

2.1. 语言主要特性

• 类型推导

Rust支持表达式类型推断，可根据代码自动推动表达式类型。

举例：

let a = 1;  //a是i32类型
let x = 9.0;  //x是f64类型

 

• 零成本抽象

Rust中增加抽象定义，不会影响运行性能。

 

• 模式匹配

通过match关键字，可以很方便的对变量的值、范围、部分内容等进行匹配操作，支持匹配数字、字符串、函数调用等，支持逻辑与或匹配。匹配的作用可以简单理解为C语言的Switch语法功能的增强。

举例：

    let a = 3;
    match a {
        1 => println!("a is 1"),
        2...5 => println!(" 2<=a<=5"),
        6 | 8 => println!(" a=6 or a=8"),
        _ => println!("其它")
    }

• 所有权

内存所有权是Rust内存安全的核心基础。内存在一个时刻，所有权只能属于一个变量，超出作用域后，会被自动释放。所有权支持转移和借用。该机制可以有效解决空指针、野指针、内存泄漏、内存重复释放等内存问题。

举例：

    let a = vec![1, 2, 3,4, 5];
    ...
    let b = a;  //所有权转移到b，通过a无法再访问

 

• 错误处理

Rust支持统一并简洁的错误处理方式。错误码统一，且支持同时返回值及错误码。

Rust将错误区分未可恢复错误及不可恢复错误，支持可恢复错误传递。

举例：

use std::fs::File;

fn main() {
    let f = File::open("hello.txt");

    let f = match f {
        Ok(file) => file,   // 成功处理
        Err(error) => println!("Problem opening the file: {:?}", error),  //错误处理
    };
    panic!("run here panic!"); // 不可恢错误
}

• 切片(Slice)

切片是指对数据的部分引用，比如数组、字符串等。与python等语言的切片功能类似。

举例：

    let s = String::from("hello world");

    let hello = &s[0..5];
    let world = &s[6..11];

 

• 泛型

类似于C++中的模板(Templete)，可用于实现对通用类型的操作，有效提到代码抽象度，减少代码量。

举例：

fn max<T>(array: &[T]) -> T {
    let mut mi = 0;
    let mut i = 1;
    while i < array.len() {
        if array[i] > array[mi] {
            mi = i;
        }
        i += 1;
    }
    array[mi]
}


fn main() {
    let a = [1, 3, 9, 7];
    println!("max = {}", max(&a));
    let b = [2.0, 4.1, 10.2, 8.3];
    println!("max = {}", max(&b));
}

 

• 特征(Trait)

Trait是对接口的抽象，可以指定接口的规则、默认接口实现，可以被继承、重载，可以与泛型结合使用，可以作为参数传递，也可以作为函数返回值。

举例：

pub struct NewsArticle {
    pub headline: String,
    pub location: String,
    pub author: String,
    pub content: String,

}


impl Summary for NewsArticle {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("{}, by {} ({})", self.headline, self.author, self.location)
    }
}

 

• 运算符重载

与C++的运算符重载功能类似。Rust通过Trait实现运算符重载功能。

Rust只支持有限形式的运算符重载。

 

• 闭包(Closure)

Rust的闭包与Java、Go、Python、Swift等语言中闭包概念类似，类似于这些语言中的Lambda表达式或者匿名函数。闭包通常不需要定义类型，支持对入参及返回值类型的推导。闭包支持绑定到变量中使用。闭包中支持使用外部变量。

举例：

let fv = n*4 + 1;

fv(10);

 

• 迭代(iterator)

用于对变量集合的循环遍历，与其它语言中的迭代器概念类似。

上面仅描述了rust语言的部分主要特性，完整介绍参见 https://doc.rust-lang.org/book/

 

2.2 Rust程序组成形式

一个Rust程序可以由Module、Carte、Package组成。Module是代码逻辑层面的封装，可以将实现一个功能的所有代码放在一个Module中，比如网络Module、文件系统Module等。Carte是二进制可执行程序或者库，是rust中的基本编译单元。Package将多个carte打包在一起。

 

2.3 编译构建

Rust使用rustc编译代码，编译过程中会自动进行类型检查。

rustc编译依赖LLVM(Windows环境依赖MSVC)，在嵌入式环境，还依赖于嵌入式交叉编译工具链。

 

2.4 Cargo

Rust使用Cargo进行系统构建、代码检查及包(crate)管理，同时也可以从crate.io上下载或者更新crate到本地。

 

3. Rust优势与劣势

Rust是一门赋予每个人构建可靠且高效软件能力的语言[1]。他的优势和劣势非常明显。

 

3.1 Rust优势

Rust具备系统级语言的高性能，同时也具备一些现代动态语言的功能。

 

3.1.1 高性能

Rust语言具备C/C++等语言的高性能。

Rust运行速度快，内存利用率高，占用资源少，没有垃圾回收及运行时，可以内嵌汇编，可以与其它语言混合编程，可以像C/C一样作为系统级语言，用于操作系统、硬件驱动、嵌入式设备等的开发。

 

3.1.2 安全可靠

Rust相比C/C++更安全可靠。

Rust通过所有权机制保证内存安全。

Rust具备丰富类型的强类型系统，编译时编译器可以做更多的类型检查，将错误在编译阶段提前暴露出来，而不是等到运行时。

Rust通过unsafe关键词将不安全的代码与安全代码隔离开。

 

3.1.3 支持现代高级语言特性

Rust支持泛型、闭包、迭代、切片、函数式编程、错误处理等特性。

 

3.2 Rust劣势

3.2.1 语言复杂

Rust的语法相对比较复杂，强类型、内存所有权、unsafe机制等对于初学者上手比较困难。

 

3.2.2 库较少

Rust目前官方及第三方库较少，相关开源代码较少，很多库需要借用c语言库，或者自己重新写，对于构建复杂系统难度较高。

 

3.2.3 不够稳定

Rust语言时间较短，一直处于快速发展中。

 

4. Rust在物联网上的应用与发展

Rust性能高，占用资源少，可移植性好，支持嵌入式开发，且可集成到现有的C代码中，因此在物联网设备上，也可以使用Rust来开发。目前已加有一些公司在使用Rust实现RTOS系统、bootloader、传感器驱动、网络协议栈等。

 

4.1 硬件

Rust支持的嵌入式硬件设备范围从8bit单片机到64位4核Cortex-A53的树莓派。

Rust支持对外设、中断、异常、IO、内存、寄存器的操作，并提供了对应的库(Crat)。

详细文档见：

https://doc.rust-lang.org/stable/embedded-book/start/index.html

Rust目前已支持ARM、RISC-V，MIPS。目前已有几十款MCU，上百种硬件驱动支持rust，详见：

https://github.com/rust-embedded/awesome-embedded-rust

 

4.2 嵌入式运行环境

1）hosted环境

在这种环境下运行时，设备上已经运行了一个操作系统，并且提供了POSIX、文件系统、网络、内存管理、线程管理等系统接口。Rust的标准库会依赖这些接口已支撑rust程序的运行，与在PC机上运行类似。

2）bare metal环境

这种环境，设备本身没有操作系统，由rust程序直接在裸机上运行。此时需要使用no_std库。同时通过libcore获得与硬件平台无关的代码，并去掉嵌入式环境中不常用的功能，比如去掉动态内存分配器等。

使用该模式，可以编译启动代码、内核等。

 

4.3 支持rust的嵌入式/物联网项目

详见 https://github.com/rust-embedded/awesome-embedded-rust

 

4.3.1 RTOS

• Drone OS

支持Rust实时应用的嵌入式操作系统。

• FreeRTOS.rs

基于FreeRTOS的rust适配层

• FreeRTOS-rust

基于FreeRTOS.rs，增加了rust的改造，比如main的入口使用rust实现，FreeRTOS调度从rust启动等。

• Tock

支持在MCU上多应用并发运行的嵌入式操作系统，内核及驱动使用Rust编写。

 

4.3.2 协议栈

• runmqtt

使用rust实现的mqtt协议

• rubble

使用rust实现的蓝牙ble协议栈

 

4.3.3 其它

• internet-of-streams

使用rust创建的iot无线传感器平台。

• rust-raspberrypi-OS-tutorials

基于rust和树莓派硬件的嵌入式操作系统开发指导

• boa

使用rust实现的嵌入式JS引擎。

• rust_sqlite

使用rust实现的sqlite。

• OpenSK

谷歌开发的基于Tock OS的FIDO2蓝牙认证应用，目前支持Nordick nrf52840芯片。

 

参考

[1]: 参考 https://www.rust-lang.org/zh-CN

 

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