为什么后端开发应该使用Rust

随着Rust被评为Stack Overflow 2024调查中最受欢迎的语言，越来越多的开发者开始学习Rust。尽管Rust是一种多功能的语言，但许多新的Rust开发者特别喜欢用它来进行后端Web开发。在本文中，我们将讨论为什么Rust相比其他语言更适合后端Web开发。

Contents

• Rust Web服务是什么样的？
• Rust的优势
  • 低内存占用
  • 并发
  • 内存安全
• 谁在使用Rust？
• 总结

Rust Web服务是什么样的？

在我们深入探讨Rust在后端的优势之前，让我们先看看Rust Web服务是什么样的——以Axum作为我们的Web框架为参考。

下面是一个将sqlx的数据库连接池添加到共享应用程序状态的示例。我们将在路由器中使用它，并设立一个端点来获取数据库记录并返回JSON响应：

use sqlx::PgPool;
use axum::{Router, routing::get};
use tokio::net::TcpListener;

// 我们在这里自动实现Clone特征，以便框架在请求时可以克隆这个结构体
#[derive(Clone)]
struct AppState {
	   db: PgPool
}


#[tokio::main]
async fn main -> Result<(), Box<dyn std::error::Error> {
      // 这假设我们已经设置了数据库连接函数
      // 使用`?`运算符允许我们自动传播错误
      let db = connect_to_db().await?; 
	  let state = AppState { db };

      // 在这里设置路由
	  let router = Router::new()
	  	  .route("/users", get(get_users))
		  .with_state(state);

      let tcp_listener = TcpListener::bind("localhost:8000").await?;

	  axum::serve(tcp_listener, router).await?;

	  Ok(())
}

我们还会添加我们的端点代码如下：

use serde::Serialize;
use axum::{extract::State, response::IntoResponse};

// 在这里我们自动派生`sqlx`的FromRow特征
// 和`serde`的Serialize特征，以便将结构体序列化为JSON
// 以及自动将检索到的Postgres行转换为我们的结构体
#[derive(sqlx::FromRow, Serialize)]
struct User {
	   id: i32,
	   name: String,
	   email: String,
}

// 在这里，我们将函数设置为返回实现了IntoResponse的非具体类型
async fn get_users(State(state): State<AppState>) -> impl IntoResponse {
	  let query = sqlx::query_as::<_, User>("SELECT * FROM users")
	       .fetch_all(&state.db)
		   .await
		   .unwrap();
      
	  Ok(Json(query))
}

虽然语法可能有些不熟悉，但惯用的Rust代码相对容易理解。虽然我们在主函数中设置了应用程序逻辑的核心，但将其提取到另一个函数或本地crate包中以便于测试是很容易的。

Rust的优势

低内存占用

Rust的借用检查器系统允许在运行时大大降低内存占用。在编译时进行的优化不仅使内存占用较小，还提供了内存安全保证。这使得Rust成为公司（和个人！）在提高绿色环保信誉和降低运行成本方面的绝佳选择。更快的执行速度也可以降低无服务器函数的成本！

这对于Web服务比其他类型的应用程序更重要。如果你不是在VPS上运行Web服务，那么很可能会为计算和CPU使用付费。能够使用更高效的语言编写后端可以显著降低长期成本，尤其是对于那些可能从Java、Python或Ruby等语言转换过来的大公司。使用VPS时，这意味着你可能可以缩小所使用的虚拟机，尽管存在一定的约束。

这一优势的另一个主要结果是，在物联网设备上运行Rust Web服务器变得更加容易。例如，在Raspberry Pi上运行Actix Web服务器。技术上，你可以用Django、Flask甚至Ruby on Rails来做到这一点。然而，随着应用程序的规模变大，可能没有太多空间运行其他东西。至少，你可以在你的小机器上再运行几个程序，这取决于你的用例，可能非常有用。

当然，将这么多前置到编译器确实会增加编译时间。即便如此，你的应用程序通常会在生产中运行更长时间。使用crane和mold linker也可以显著减少编译时间。虽然首次编译可能需要几分钟，但通常在随后的编译中，时间会少得多。

并发

并发一直是一个难以解决的问题。设计语言时为了抽象复杂性，往往会导致并发问题。例如，Python的全局解释器锁（GIL）在开发和运行C扩展时无疑带来了好处。然而，它也显著增加了多线程应用程序的复杂性，主要通过锁获取和线程争用。因此，并行性更难以表达。

相比之下，Rust不会隐藏编写并发程序的复杂性。这使得入门有些令人望而生畏。然而，目前的生态系统显著扩展了标准库原语，提供了更易用的抽象，使得大规模处理并发变得更加容易。例如：dashmap，一个并发的HashMap实现，以及parking-lot，主要提供线程的停车和启动，并为互斥锁和其他同步原语提供死锁检测。

如果你使用Tokio运行时进行异步Rust开发，使用Tokio的同步原语也很容易，这些原语可以跨线程使用。如果你想在Rust后端服务中实现基本的并发而无需全面投入，利用这些原语是一个很好的方法：

use std::sync::Arc;
use tokio::sync::RwLock;
use std::collections::HashMap;

#[tokio::main]
async fn main() {
	let locked_map: Arc<RwLock<HashMap<String, String>>> = Arc::new(RwLock::new(HashMap::new()));
	
	let mut writer = locked_map.write().await.unwrap();
	
	writer.insert("Hello".to_string(), "world!".to_string());
	
    // 手动释放Writer锁以便我们能重新获得访问权限
	drop(writer);
	
	let reader = locked_map.read().await.unwrap();
	
	println!("{}", reader.get("Hello".to_string()));
}

Rust与其他语言的区别在于实现细节。由于Rust的类型系统（例如，RwLocks和Mutexes封装类型），同步原语不会锁定线程——它们锁定资源。这是一个重要的细节，因为它仍然允许其他事情运行。锁也是有范围的：一旦函数运行完并且超出范围，锁会自动释放并销毁，允许你再次锁定资源。在C++等语言中，互斥锁本身是一个资源，会锁定整个线程，这本身可能导致问题。一个简单的例子是忘记解锁互斥锁，或者锁定顺序不正确。当然，这并不意味着Rust免疫于竞争条件——资源仍然可能因尝试同时访问而被锁定，以及锁中毒等问题。

有些编程语言专门用于处理并发：Erlang和BEAM（以及可以在BEAM虚拟机上运行的其他语言）就是一个例子。虽然Rust并没有在每一个语言设计选择中都嵌入并发，但如果你想在Rust后端Web服务中完全实现并发，你会得到能够安全高效地做到这一点的工具。

内存安全

今年早些时候，白宫倡导使用内存安全语言，这对Rust来说是一个巨大的胜利。虽然Rust是讨论中的几种语言之一，但信息基本相同：远离那些没有足够保护措施防止引入内存错误的语言，无论是内存访问违规、泄漏还是简单的使用后释放（use-after-free）。

Rust并不是完全免疫于内存问题。然而，它确实提供了足够的保护措施，以至于你需要故意使用unsafe标记来绕过编译器强制的内存安全保证。例如，这段代码是 Vector 类型（Vec）中删除给定索引元素的方法：

pub fn remove(&mut self, index: usize) -> T {
    // 注意：这里 `<` 是为了防止所有内容之后再删除
    assert!(index < self.len, "index out of bounds");
    unsafe {
        self.len -= 1;
        let result = ptr::read(self.ptr.as_ptr().add(index));
        ptr::copy(
            self.ptr.as_ptr().add(index + 1),
            self.ptr.as_ptr().add(index),
            self.len - index,
        );
        result
    }
}

注意，该函数是“安全”使用的，因为它没有标记为unsafe，但有一个unsafe块。这意味着代码的健全性由库来保证，而不是用户！

虽然这对许多人来说可能令人望而生畏，但许多库通过使用上述方法创建了安全的抽象来解决这个问题。一个具体的例子

是许多Rust库是C库的绑定。它们在上面有安全的抽象（如image-rs和rust-rdkafka），允许用户安全地使用底层技术而没有内存问题。标准库的许多部分也使用unsafe代码，同步示例和低级数据结构如Vec（Vector）和hashmap。The Rustonomicon实际上有一个从头开始重新实现Vec类型的指南，这是任何想深入学习如何安全使用unsafe Rust的人的绝佳读物。

虽然内存安全不是大多数行业和用例的硬性要求，但内存问题通常耗时解决，如果与基础设施相关，可能成本高昂。实际上，对于大多数开发人员来说，犯内存错误几乎是不可避免的——这就是为什么添加编译时内存安全检查是Rust的一个重要优势。当然，有些东西能通过编译器，但如果你在一个有更多初级工程师的团队中，你绝对不希望他们在生产中引入内存错误。Rust使得确保这种情况不发生变得容易得多。

谁在使用Rust？

当然，目前有不少大公司在使用Rust：Amazon、Google和Microsoft（正在将他们的Office 365后端迁移到Rust）只是其中一部分。许多注重安全的公司也在使用Rust：1Password已经为使用密码键制作了他们自己的Rust库集合，cryptee专注于加密文档存储和照片管理服务，还有越来越多的Rust公司和咨询公司涌现，帮助大公司创建高质量的Rust代码。

DARPA最近也宣布，他们正在将所有的C代码转换为Rust，目标是代码库最终像熟练的Rust开发人员写的一样高质量。虽然这是一个不小的工程，但如果成功，将是Rust未来发展的巨大胜利。

总结

感谢阅读！有很多理由可促使你在后端使用Rust，希望本文能帮助你理解其优势背后的一些基本细节。

原文：https://www.shuttle.rs/blog/2024/07/31/rust-on-the-backend