Rust в действии

Предисловие....15

Благодарности....17

О книге....19

Кому следует прочитать эту книгу....19

Организация книги: дорожная карта....19

О программном коде....21

Дискуссионный форум liveBook....21

Другие онлайн-ресурсы....22

Об авторе....22

Об иллюстрации на обложке книги....22

Глава 1. Введение в Rust....23

1.1. Где используется Rust?....24

1.2. С какой целью была написана книга «Rust в действии»....25

1.3. Вкус языка....26

1.3.1. Хитрый путь к «Hello, world!»....27

1.3.2. Ваша первая программа на Rust....29

1.4. Загрузка исходного кода книги....30

1.5. На что похож Rust?....31

1.6. В чем заключается особенность Rust?....34

1.6.1. Цель создания Rust: безопасность....36

1.6.2. Цель создания Rust: производительность....41

1.6.3. Цель создания Rust: управляемость....43

1.7. Особые возможности Rust....45

1.7.1. Достижение высокой производительности....45

1.7.2. Многопоточное выполнение программ....46

1.7.3. Достижение эффективной работы с памятью....46

1.8. Недостатки Rust....46

1.8.1. Циклические структуры данных....46

1.8.2. Время, затрачиваемое на компиляцию....46

1.8.3. Строгость....47

1.8.4. Объем языка....47

1.8.5. Излишний ажиотаж....47

1.9. Примеры использования TLS-безопасности....47

1.9.1. Heartbleed....48

1.9.2. Goto fail....48

1.10. Для чего Rust подходит лучше всего?....50

1.10.1. В утилитах командной строки....50

1.10.2. В обработке данных....51

1.10.3. В расширяемых приложениях....51

1.10.4. В средах с ограниченными ресурсами....51

1.10.5. В серверных приложениях....52

1.10.6. В приложениях для ПК....52

1.10.7. В автономном режиме....52

1.10.8. В мобильных приложениях....53

1.10.9. В веб-режиме....53

1.10.10. В системном программировании....53

1.11. Скрытая фишка Rust: его сообщество....54

1.12. Разговорник по Rust....54

Резюме....54

Часть I. Особенности языка Rust....57

Глава 2. Основы языка....59

2.1. Создание работоспособной программы....60

2.1.1. Компиляция одиночных файлов с помощью утилиты rustc....60

2.1.2. Компиляция Rust-проектов с использованием cargo....61

2.2. Взгляд на синтаксис Rust....62

2.2.1. Определение переменных и вызов функций....63

2.3. Числа....64

2.3.1. Целые и десятичные (с плавающей точкой) числа....65

2.3.2. Записи целых чисел с основанием 2, 8 и 16....66

2.3.3. Сравнение чисел....68

2.3.4. Рациональные, комплексные числа и другие числовые типы....73

2.4. Управление ходом выполнения программы....76

2.4.1. For: основной механизм итераций....76

2.4.2. Continue: пропуск оставшейся части текущей итерации....78

2.4.3. While: выполнение цикла, пока не изменится состояние условия....78

2.4.4. Loop: основа для циклических конструкций Rust....79

2.4.5. Break: прерывание цикла....80

2.4.6. If, if else и else: условное ветвление....81

2.4.7. Match: соответствие образцу с учетом типов....82

2.5. Определение функций....84

2.6. Использование указателей....85

2.7. Проект: визуализация множества Мандельброта....86

2.8. Расширенные определения функций....90

2.8.1. Явные аннотации времени жизни....90

2.8.2. Обобщенные функции....92

2.9. Создание grep-lite....95

2.10. Создание списков с использованием массивов, слайсов и векторов....99

2.10.1. Массивы....99

2.10.2. Слайсы....101

2.10.3. Векторы....102

2.11. Включение стороннего кода....104

2.11.2. Создание документации по сторонним контейнерам в локальной среде....107

2.11.3. Управление имеющимся в Rust набором инструментальных средств с помощью rustup....107

2.12. Поддержка аргументов командной строки....108

2.13. Чтение данных из файлов....110

2.14. Чтение из стандартного устройства ввода stdin....113

Резюме....114

Глава 3. Составные типы данных....117

3.1. Использование простых функций для экспериментов с API....117

3.2. Моделирование файлов с помощью struct....120

3.3. Добавление методов к структуре struct путем использования блока impl....125

3.3.1. Упрощение создания объектов за счет реализации метода new ()....126

3.4. Возвращение сообщений об ошибках....129

3.4.1. Изменение значения известной глобальной переменной....129

3.4.2. Использование возвращаемого типа Result....135

3.5. Определение и использование перечисления епшп....138

3.5.1. Использование епшп для управления внутренним состоянием....141

3.6. Определение общего поведения с помощью типажей....143

3.6.1. Создание типажа Read....143

3.6.2. Реализация std::fmt::Display для ваших собственных типов....145

3.7. Выставление своих типов на всеобщее обозрение....148

3.7.1. Protecting private data Защита личных данных....148

3.8. Создание встроенной документации ваших проектов....149

3.8.1. Использование rustdoc для визуализации документов, касающихся одного исходного файла....151

3.8.2. Использование cargo для визуализации документов для контейнера и его зависимостей....151

Резюме....153

Глава 4. Время жизни, владение и заимствование....155

4.1. Реализация имитации наземной станции CubeSat....156

4.1.1. Выявление первой проблемы, связанной со временем жизни....158

4.1.2. Особое поведение элементарных типов....161

4.2. Справочник по рисункам, используемым в этой главе....163

4.3. Кто такой владелец? Есть ли у него какие-либо обязанности?....164

4.4. Как происходит переход владения....165

4.5. Решение проблем, связанных с владением....167

4.5.1. Если полное владение не требуется, используйте ссылки....170

4.5.2. Сократите количество долгоживущих значений....173

4.5.3. Продублируйте значение....180

4.5.4. Заключите данные в специальные типы....184

Резюме....186

Часть II. Демистификация системного программирования....189

Глава 5. Углубленное изучение данных....191

5.1. Комбинации битов и типы....191

5.2. Жизнь целых чисел....194

5.2.1. Усвоение порядка следования байтов....197

5.3. Представление десятичных чисел....198

5.4. Числа с плавающей точкой....199

5.4.1. Взгляд на f32 изнутри....200

5.4.2. Выделение знакового бита....201

5.4.3.Выделение экспоненты....202

5.4.4. Выделение мантиссы....203

5.4.5. Разбиение числа с плавающей точкой на составные части....205

5.5. Форматы чисел с фиксированной точкой....207

5.6. Генерация случайных вероятностей из случайных байтов....213

5.7. Реализация центрального процессора (CPU), чтобы удостовериться, что функции также являются данными....215

5.7.1. CPU RIA/1: сумматор....215

5.7.2. Полный листинг кода для CPU RIA/1: сумматор....220

5.7.3. CPURIA/2: мультипликатор....222

5.7.4. CPU RIA/3: блок вызова....226

5.7.5. CPU 4: добавление всего остального....233

Резюме....233

Глава 6. Память....235

6.1. Указатели....235

6.2. Исследование типов ссылок и указателей, имеющихся в Rust....238

6.2.1. Обычные указатели, используемые в Rust....243

6.2.2. Экосистема указателей Rust....246

6.2.3. Строительные блоки интеллектуальных указателей....248

6.3. Предоставление программам памяти для размещения их данных....249

6.3.1. Стек....250

6.3.2. Куча....252

6.3.3. Что такое динамическое распределение памяти?....256

6.3.4. Анализ влияния, оказываемого динамическим выделением памяти....264

6.4.Виртуальная память....266

6.4.1. История вопроса....266

6.4.2. Шаг 1. Сканирование процессом собственной памяти....267

6.4.3. Преобразование виртуальных адресов в физические....271

6.4.4. Шаг 2. Работа с операционной системой для сканирования адресного пространства....274

6.4.5. Шаг 3. Чтение и запись в память процесса....277

Резюме....277

Глава 7. Файлы и хранилища....279

7.1. Что такое формат файла?....279

7.2. Создание собственных форматов файлов для хранения данных....281

7.2.1. Запись данных на диск с помощью serde и формата bincode....281

7.3. Реализация клона hexdump....284

7.4. Файловые операции, проводимые в Rust....288

7.4.1. Открытие файла в Rust и управление его режимом доступности....288

7.4.2. Безопасное взаимодействие с файловой системой с помощью std::fs::Path....289

7.5. Реализация хранилища «ключ-значение» с архитектурой, структурированной по записям и доступной только для добавления....291

7.5.1. Модель «ключ-значение»....291

7.5.2. Представление actionkv vl: хранилище ключей и значений в памяти с интерфейсом командной строки....292

7.6. Actionkv vl: интерфейсный код....293

7.6.1. Настройка продукта условной компиляции....296

7.7. Понимание сути actionkv: контейнер libactionkv....298

7.7.1. Инициализация структуры ActionKV....298

7.7.2. Работа с отдельно взятой записью....302

7.7.3. Запись многобайтных двоичных данных на диск в гарантированном порядке следования байтов....304

7.7.4. Проверка ошибок ввода-вывода с помощью контрольных сумм....306

7.7.5. Вставка в существующую базу данных новой пары «ключ-значение»....309

7.7.6. Полный код листинга для actionkv....310

7.7.7. Работа с ключами и значениями с использованием HashMap и ВТгееМар....315

7.7.8. Создание HashMap и ее заполнение значениями....318

7.7.9. Извлечение значений из HashMap и ВТгееМар....319

7.7.10. Что выбрать: HashMap или ВТгееМар?....320

7.7.11. Добавление к actionkv v2.0 индекса базы данных....322

Резюме....326

Глава 8. Работа в сети....327

8.1. Все о сетевой работе в семи абзацах....328

8.2. Создание HTTP GET-запроса с использованием reqwest....330

8.3. Типажные объекты....332

8.3.1. На что способны типажные объекты?....332

8.3.2. Что такое типажные объекты?....333

8.3.3. Создание небольшой ролевой игры: rpg-проект....333

8.4. TCP....337

8.4.1. Что такое номер порта?....339

8.4.2. Преобразование имени хоста в IP-адрес....339

8.5. Способы обработки ошибок, наиболее удобные для помещения в библиотеки....347

8.5.1. Проблема: невозможность возвращения нескольких типов ошибок....347

8.5.2. Заключение в оболочку нижестоящих ошибок путем определения нашего собственного типа ошибки....351

8.5.3. Фокусы с unwrap() и expect()....358

8.6. МАС-адреса....358

8.6.1. Создание МАС-адресов....360

8.7. Реализация конечных автоматов с помощью перечислений....362

8.8. Чистый TCP....363

8.9. Создание виртуального сетевого устройства....363

8.10. «Чистый» HTTP....365

Резюме....376

Глава 9. Время и хронометраж....377

9.1. Предыстория вопроса....378

9.2. Источники времени....380

9.3. Определения....380

9.4. Кодирование времени....382

9.4.1. Представление часовых поясов....383

9.5. clock vO.l.O: учим приложение сообщать о времени....383

9.6. clock v0.1.1: форматирование меток времени в соответствии с ISO 8601 и стандартами электронной почты....384

9.6.1. Реструктуризация кода clock vO.l.O с целью более широкой архитектурной поддержки....385

9.6.2. Форматирование времени....386

9.6.3. Предоставление полноценного интерфейса командной строки....387

9.6.4. clock v0.1.1: полный проект....388

9.7. clock vO.1.2: установка времени....392

9.7.1. Общее поведение....392

9.7.2. Установка времени для операционных систем, использующих libc....392

9.7.3. Установка времени в MS Windows....395

9.7.4. clock vO.1.2: листинг полного кода....397

9.8. Более совершенные способы обработки ошибок....401

9.9. clock v0.1.3: вычисление разницы показания часов с показанием протокола сетевого времени — Network Time Protocol (NTP)....402

9.9.1. Отправка NTP-запросов и интерпретация ответов....402

9.9.2. Корректировка местного времени по ответу сервера....405

9.9.3. Преобразования между представлениями о времени, использующими различные степени точности и эпохи....407

9.9.4. clock vO.1.3: листинг полной версии кода....409

Резюме....417

Глава 10. Процессы, потоки и контейнеры....419

10.1. Безымянные функции....420

10.2. Порождение потоков....421

10.2.1. Введение в замыкания....421

10.2.2. Порождение потока....422

10.2.3. Эффект от порождения нескольких потоков....423

10.2.4. Эффект от порождения множества потоков....424

10.2.5. Воспроизведение результатов....426

10.2.6. Совместно используемые переменные....430

10.3. Отличие замыканий от функций....433

10.4. Аватары, процедурно генерируемые из многопоточного парсера и генератора кода....434

10.4.1. Как запустить проект render-hex, и как выглядит его предполагаемый вывод....434

10.4.2. Обзор однопоточной версии render-hex....435

10.4.3. Порождение потока для каждой логической задачи....446

10.4.4. Использование пула потоков и очереди задач....449

10.5. Конкурентные вычисления и виртуализация задач....457

10.5.1. Потоки....460

10.5.2. Что такое контекстное переключение?....460

10.5.3. Процессы....460

10.5.4. WebAssembly....461

10.5.5. Контейнеры....461

10.5.6. А зачем вообще использовать операционную систему?....461

Резюме....462

Глава 11. Ядро операционной системы....463

11.1. Оперяющаяся операционная система (FledgeOS)....463

11.1.1. Настройка среды разработки под создание ядра операционной системы....463

11.1.2. Проверка среды разработки....465

11.2. FledgeOS-О: получение хоть чего-то работоспособного....466

11.2.1. Первая загрузка....466

11.2.2. Инструкции по компиляции....468

11.2.3. Листинги исходного кода....469

11.2.4. Способы справиться с паникой....474

11.2.5. Вывод информации на экран с использованием VGA-совместимого текстового режима....475

11.2.6 _start (): функция main () для FledgeOS....477

11.3. fledgeos-1: избавление от цикла занятости....477

11.3.1. Экономия ресурсов за счет прямого взаимодействия с центральным процессором....477

11.3.2. Исходный код fledgeos-1....478

11.4. fledgeos-2: самостоятельная обработка исключений....479

11.4.1. Почти что правильная обработка исключений....479

11.4.2. Исходный код fledgeos-2....480

11.5. fledgeos-З: текстовый вывод....481

11.5.1. Вывод на экран цветного текста....482

11.5.2. Управление представлением перечислений в памяти....482

11.5.3. Зачем использовать перечисления?....483

11.5.4. Создание шрифта для вывода информации в буфер кадра VGA....483

11.5.5. Вывод на экран....484

11.5.6. Исходный код fledgeos-3....485

11.6. fledgeos-4: специализированная обработка паники....487

11.6.1. Реализация обработчика паники, сообщающего пользователю об ошибке....487

11.6.2. Повторная реализация panic() с использованием core::fmt::Write....487

11.6.3. Реализация core: Write....488

11.6.4. Исходный код fledge-4....489

Резюме....491

Глава 12. Сигналы, прерывания и исключения....493

12.1. Глоссарий....493

12.1.1. Сравнение сигналов и прерываний....495

12.2. Влияние прерываний на приложения....496

12.3. Программные прерывания....498

12.4. Аппаратные прерывания....499

12.5. Обработка сигналов....499

12.5.1. Поведение по умолчанию....499

12.5.2. Приостановка и возобновление работы программы....500

12.5.3. Перечень всех сигналов, поддерживаемых операционной системой....503

12.6. Обработка сигналов с помощью настраиваемых действий....504

12.6.1. Применение в Rust глобальных переменных....505

12.6.2. Использование глобальной переменной для указания на инициирование завершения выполнения программы....507

12.7. Отправка сигналов, определяемых в приложении....510

12.7.1. Общие сведения об указателях на функции и их синтаксисе....511

12.8. Игнорирование сигналов....512

12.9. Завершение работы из глубокой вложенности в стеке вызовов....514

12.9.1. Представление проекта sjlj....516

12.9.2. Настройка встроенных функций для их использования в программе....517

12.9.3. Приведение указателя к другому типу....519

12.9.4. Компиляция кода проекта sjlj....520

12.9.5. Исходный код проекта sjlj....521

12.10. Заметка о применении этих методов на платформах, не использующих сигналы....524

12.11. Пересмотр исключений....524

Резюме....525

Книга о прикладных аспектах языка программирования Rust, описывающая внутреннее устройство языка и сферы его использования. Rust рассматривается как современное дополнение для С при программировании ядра ОС и при системном программировании, а также как низкоуровневый скоростной язык, обеспечивающий максимальную производительность. Объяснены тонкости работы с процессором, многопоточное программирование, работа с памятью, а также взаимодействие с Linux. Изложенный материал позволяет как писать современные приложения на Rust с нуля, так и внедрять Rust в сложившуюся базу кода.

Книга ориентирована на специалистов по C, Linux, системному программированию и на всех, кто желает освоить Rust и сразу приступить к работе с ним.

Вы изучите применение Rust в следующих областях:

• Создание средств для работы с файлам
• Работа в сети и программирование ядра ОС
• Многопроцессорная и многопоточная обработка, конкурентность, блокировки, параллелизм
• Создание консольных, графических и сетевых приложений
• Программирование для Интернета вещей (IoT)
• Обработка сигналов
• Виртуализация и применение Rust в Linux
• Управление памятью и сборка мусора