در توسعه نرمافزارهای سیستمی، همواره دو دغدغه اصلی کارایی بالا و امنیت حافظه از مهمترین دغدغههای برنامهنویسان بوده است. زبانهایی مانند C و C++ عملکرد بسیار سریعی دارند، اما مدیریت دستی حافظه در آنها منبع بسیاری از باگها و آسیبپذیریهای امنیتی است. در مقابل، زبانهای سطح بالاتر ایمنی بیشتری دارند اما اغلب با هزینه سربار اجرایی همراه هستند.
Rust با هدف پر کردن این فاصله طراحی شد؛ زبانی که بدون استفاده از Garbage Collector، امنیت حافظه را در زمان کامپایل تضمین میکند و در عین حال کارایی در سطح C و C++ ارائه میدهد. در ادامه تلاش کردهایم به این سوال که rust چیست پاسخ دهیم و اطلاعاتی از آن را با شما بهاشتراک بگذاریم.
معرفی زبان برنامه نویسی Rust
Rust زبان برنامهنویسی سیستمی، متنباز و چندسکویی است که بر سه محور ایمنی حافظه، کارایی بالا و همزمانی بدون data race تمرکز دارد.
برخلاف زبانهایی که برای مدیریت حافظه به جمعآوری زباله در زمان اجرا متکی هستند، Rust از نوعی مدل مالکیت مبتنی بر تحلیل ایستای کامپایلر استفاده میکند.
این مدل اجازه میدهد بسیاری از خطاهای رایج مانند use-after-free، double free و data race پیش از اجرای برنامه شناسایی و حذف شوند.
بر اساس مستندات رسمی Rust، توسعهدهندگان هدف ساخت این زبان را فراهمکردن ابزاری برای ساخت نرمافزارهای قابل اعتماد و بهینه، بدون اجبار توسعهدهنده به انتخاب بین ایمنی و سرعت، بیان کردهاند.
تاریخچه و فلسفه طراحی Rust
Rust در سال ۲۰۱۰ توسط Graydon Hoare آغاز شد و بعدها با حمایت Mozilla توسعه یافت. هدف اولیه، طراحی زبانی بود که بتواند جایگزینی امنتر برای C++ در پروژههای سیستمی باشد.
تیم توسعه Rust به این نتیجه رسید که بسیاری از آسیبپذیریهای امنیتی در نرمافزارهای بزرگ ریشه در مدیریت نادرست حافظه دارند. بنابراین به جای افزودن لایهای در زمان اجرا، تصمیم گرفتند مسئله را در سطح طراحی زبان و کامپایلر حل کنند.
فلسفه طراحی و اهداف Rust
فلسفه طراحی Rust بر سه اصل کلیدی استوار است:
- Memory Safety بدون نیاز به Garbage Collector
- Zero-cost Abstractions
- Concurrency بدون Data Race
ویژگیها و قابلیتهای Rust
از مهمترین ویژگیهای rust میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
امنیت حافظه بدون نیاز به Garbage Collector
در زبانهایی مانند Java یا Go، مدیریت حافظه به Garbage Collector سپرده میشود که اگرچه توسعه را سادهتر کرده است، اما سربار اجرایی ایجاد میکند. Rust از مدلی مبتنی بر Ownership Borrowing و Lifetimes استفاده میکند که در زمان کامپایل بررسی میشود.
موارد زیر از مهمترین ویژگیهای این مدل هستند:
- جلوگیری از Use-after-free
- جلوگیری از Double free
- جلوگیری از Data race
- حذف نیاز به GC در زمان اجرا
کارایی بالا و سرعت اجرای برنامهها
Rust به صورت مستقیم و معمولا از طریق LLMV به کد ماشین کامپایل میشود و در آن ویژگیهای سطح بالا بدون سربار اجرایی پیادهسازی میشوند. به همین دلیل، از نظر عملکرد در بسیاری از سناریوها با C و C++ رقابت میکند.
Rust همچنین کنترل دقیق بر موارد زیر را در اختیار توسعهدهنده قرار میدهد:
- layout حافظه
- inline کردن توابع
- مدیریت stack و heap
سیستم مالکیت و مدیریت منابع (Ownership & Borrowing)
سیستم مالکیت مهمترین نوآوری مفهومی Rust است. هر مقدار در Rust یک مالک دارد و وقتی مالک از محدوده خارج شود، حافظه آزاد میشود. در این زبان هر مقدار فقط یک مالک دارد و در هر لحظه فقط میتوان یا چند reference غیرقابلتغییر یا reference قابلتغییر داشت.
این مدل به حذف کامل Garbage Collector و جلوگیری از race condition ها در همزمانی کمک میکند.
سازگاری با چند پلتفرم و توسعه سیستمها
یکی از مزیتهای مهم Rust توانایی آن در کامپایل و اجرا روی پلتفرمها و معماریهای مختلف است.
برنامهای که با Rust نوشته میشود میتواند برای سیستمعاملهایی مانند Linux، Windows و macOS کامپایل شود، بدون اینکه نیاز به بازنویسی اساسی کد داشته باشد.
علاوه بر این، Rust از هدفهایی مانند WebAssembly نیز پشتیبانی میکند؛ یعنی میتوان بخشی از برنامه را برای اجرا در مرورگر یا محیطهای وب بهینهسازی و کامپایل کرد.
این قابلیت تنها به نرمافزارهای معمولی محدود نمیشود. Rust به دلیل کنترل دقیق روی حافظه و منابع سختافزاری، برای توسعه نرمافزارهای سطح پایین نیز مناسب است.
منظور از توسعه سطح پایین، نوشتن بخشهایی از سیستم مانند درایورها، اجزای هسته (کرنل) یا firmware دستگاههای الکترونیکی است که مستقیما با سختافزار یا هسته سیستمعامل در ارتباطاند.
در چنین پروژههایی معمولاً زبانهایی مانند C یا C++ استفاده میشدند، اما Rust این امکان را فراهم کرده که همان سطح از کارایی و کنترل، همراه با ایمنی حافظه بالاتر، در اختیار توسعهدهنده قرار گیرد.
به طور خلاصه، Rust هم برای ساخت نرمافزارهای کاربردی چندسکویی مناسب است و هم برای توسعه اجزای حیاتی و نزدیک به سختافزار؛ ترکیبی که کمتر زبانی بهصورت همزمان ارائه میدهد.
کاربردهای Rust
موارد زیر از مهمترین کاربردهای rust محسوب میشوند:
توسعه سیستمهای کمسطح و برنامههای سیستمی
Rust برای جایگزینی تدریجی C/C++ در حوزه سیستمهای حیاتی طراحی شده است. حتی هسته لینوکس در سالهای اخیر پشتیبانی آزمایشی از Rust را اضافه کرده است.
ساخت نرمافزارهای وب و سرور با کارایی بالا
فریمورکهایی مانند Actix و Axum نشان دادهاند که Rust میتواند در توسعه بک اندهای با عملکرد بالا رقابت جدی با Node.js و Go داشته باشد. مصرف حافظه پایین و مدل async مبتنی بر Futures باعث شده Rust در میکروسرویسها محبوب شود.
استفاده در برنامههای بلاکچین و امنیتی
بسیاری از پلتفرمهای بلاکچین مانند Substrate و Solana با Rust توسعه یافتهاند، زیرا در این پلتفرمها امنیت حافظه، عملکرد بالا و کنترل سطح پایین حیاتی است.
چرا برنامهنویسان و غولهای تکنولوژی Rust را انتخاب میکنند؟
حالا که بهتر درک کردید rust چیست، خوب است بدانید که چرا بسیاری از برنامهنویسان و غولهای تکنولوژی این زبان را انتخاب میکنند. دلایل از مهمترین مواردی هستند که برنامهنویسان را به انتخاب این زبان مجاب کردهاند:
امنیت و پیشگیری از خطاهای حافظه در پروژههای بزرگ
طبق گزارشهای امنیتی منتشرشده توسط گوگل و مایکروسافت، بخش قابل توجهی از آسیبپذیریهای بحرانی از باگهای امنیت حافظه ناشی میشود. Rust بهصورتی طراحی شده است که این دسته از خطاها را حذف کند.
کارایی بالا و کاهش مصرف منابع
Rust برای سیستمهایی که latency پایین و throughput بالا نیاز دارند، گزینهای مناسب است. این زبان بهویژه در سرویسهای ابری، کاهش مصرف CPU و RAM مستقیما به کاهش هزینه زیرساخت کمک میکند.
استفاده توسط شرکتهای بزرگ مانند Mozilla، Microsoft و Amazon
پذیرش Rust توسط شرکتهای بزرگ فناوری نشان میدهد این زبان صرفا نوعی ترند جامعه برنامهنویسی نیست، بلکه در پروژههای زیرساختی و حیاتی نیز بهکار گرفته میشود.
Mozilla خاستگاه اولیه Rust بود و آن را برای حل مشکلات ایمنی حافظه در پروژههای مرورگر توسعه داد.
Microsoft بهصورت رسمی Rust را برای کاهش آسیبپذیریهای ناشی از خطاهای حافظه در برخی بخشهای ویندوز و پروژههای امنیتی توصیه کرده است.
Amazon نیز در زیرساختهای ابری خود، از جمله پروژه Firecracker در AWS، از Rust کمک میگیرد تا هم کارایی بالا و هم ایمنی سطح سیستمی را تامین کند.
این سطح از پذیرش صنعتی، جایگاه Rust را بهعنوان یک گزینه جدی در توسعه نرمافزارهای مقیاسپذیر و امن تثبیت کرده است.
افزایش محبوبیت در جامعه برنامهنویسان و پروژههای متنباز
Rust در چندین سال متوالی در نظرسنجی Stack Overflow عنوان محبوبترین زبان را از نظر رضایت توسعهدهندگان کسب کرده است. این شاخص نشاندهنده پذیرش گسترده و کیفیت اکوسیستم آن است.
مقایسه Rust با سایر زبانها
اما rust با سایر زبانهای برنامهنویسی محبوب، چه تفاوتهایی دارد؟
Rust در مقابل C و C++
Rust از نظر کارایی در همان سطح زبانهایی مانند C و C++ قرار میگیرد و مستقیما به کد ماشین کامپایل میشود. تفاوت اصلی این دو زبان، در مدیریت حافظه آن است.
در C و C++ کنترل حافظه کاملا دستی است و ممکن است در حین کار خطاهایی مانند نشتی حافظه یا استفاده از حافظه آزادشده رخ دهد.
Rust با استفاده از سیستم مالکیت، این خطاها را در زمان کامپایل بدون اینکه از گردآورنده زباله استفاده کند، شناسایی و از بروز آنها جلوگیری میکند. در نتیجه، Rust تلاش میکند همان کارایی را با ایمنی بالاتر ارائه دهد.
Rust در مقابل Go و سایر زبانهای مدرن
Rust در مقایسه با Go، کنترل سطح پایینتری روی منابع سیستم ارائه میدهد و فاقد گردآورنده زباله در زمان اجراست، در حالیکه Go برای سادگی توسعه و سرعت پیادهسازی طراحی شده و از مدیریت خودکار حافظه استفاده میکند.
Rust در پروژههایی که کارایی حداکثری و کنترل دقیق منابع اهمیت دارد گزینه مناسبی است، در حالیکه Go برای توسعه سریع سرویسهای شبکهای و زیرساختی گزینهای سادهتر محسوب میشود.
نکات مهم برای شروع یادگیری Rust
قبل از اقدام به شروع یادگیری Rust نکات زیر را درنظر داشته باشید:
انتخاب منابع آموزشی و مستندات رسمی
سعی کنید قبل از اقدام به یادگیری، از منابع معتبر و دسته اول کمک بگیرید. کتاب رسمی Rust با عنوان The Rust Programming Language بهترین منبع شما در این مسیر محسوب میشود که بهصورت رایگان در وبسایت رسمی Rust منتشر شده است.
تمرین با پروژههای واقعی و حل مسائل الگوریتمی
در مسیر یادگیری Rust، صرف مطالعه مفاهیم کافی نیست؛ درک عمیق این زبان زمانی شکل میگیرد که مفاهیمی مانند مالکیت، قرضگیری و طول عمر دادهها را در پروژههای واقعی بهکار بگیرید.
حل مسائل الگوریتمی نیز نقش مهمی در تسلط بر Rust دارد، زیرا شما را وادار میکند با ساختارهای داده، مدیریت ارجاعها و الگوهای مالکیت در شرایط مختلف کار کنید.
آشنایی با اکوسیستم Crates و مدیریت بستهها
مدیریت بستهها در Rust از طریق Cargo انجام میشود. کتابخانهها در مخزن crates.io منتشر میشوند که نقش مشابه npm یا PyPI را ایفا میکند.
جمعبندی و نتیجهگیری
در این مقاله تلاش کردیم به این سوال پاسخ دهیم که rust چیست. این زبان برنامهنویسی، یک زبان برنامهنویسی سیستمی مدرن محسوب میشود که با طراحی مبتنی بر ایمنی حافظه، کارایی بالا و مدل مالکیت نوآورانه، شکاف تاریخی بین performance و safety را پر کرده است.
این زبان نهتنها در توسعه سیستمهای کمسطح، بلکه در سرویسهای ابری، بلاکچین، امنیت سایبری و حتی WebAssembly جایگاه تثبیتشدهای یافته است.
با توجه به روند مهاجرت تدریجی شرکتهای بزرگ فناوری به Rust و رشد سریع اکوسیستم آن، میتوان پیشبینی کرد که این زبان در دهه آینده نقش پررنگتری در معماری سیستمهای حیاتی و مقیاسپذیر ایفا خواهد کرد.