آموزش مقدماتی زبان Rust

توضیحات

زبان Rust یک زبان برنامه‌نویسی مدرن، متن‌باز و چندمنظوره است که توسط بنیاد Mozilla توسعه داده شده و هدف اصلی آن ارائه عملکرد بالا همراه با ایمنی حافظه و مدیریت هم‌زمانی بهتر است. این زبان برای حل مشکلاتی که در زبان‌های سیستمی مانند C و C++ وجود دارد، طراحی شده است.

ویژگی‌های اصلی زبان Rust:

1. ایمنی حافظه:
   • Rust از مکانیزمی به نام "مالکیت" (Ownership) استفاده می‌کند که تضمین می‌کند خطاهای حافظه مانند دسترسی به حافظه آزاد شده یا سرریز بافر رخ ندهند، بدون نیاز به استفاده از گاربیج کالکتور (Garbage Collector).
2. کارایی بالا:
   • Rust عملکردی مشابه زبان‌هایی مثل C و C++ دارد و برای برنامه‌نویسی سطح پایین و سیستمی ایده‌آل است.
3. هم‌زمانی ایمن:
   • Rust ابزارهایی برای مدیریت هم‌زمانی ارائه می‌دهد که از مشکلاتی مانند شرایط رقابتی (Race Conditions) جلوگیری می‌کند.
4. متن‌باز:
   • Rust یک پروژه متن‌باز است و جامعه بزرگی از توسعه‌دهندگان در حال گسترش و بهبود آن هستند.
5. چندمنظوره بودن:
   • از Rust می‌توان برای توسعه سیستم‌عامل‌ها، موتورهای بازی، برنامه‌های تحت وب، برنامه‌های تعبیه‌شده و بسیاری از موارد دیگر استفاده کرد.

موارد استفاده از Rust:

• برنامه‌نویسی سیستمی: ساخت سیستم‌عامل‌ها و نرم‌افزارهای سطح پایین.
• توسعه وب: ایجاد برنامه‌های وب با استفاده از فریم‌ورک‌هایی مانند Actix یا Rocket.
• بازی‌سازی: توسعه موتورهای بازی و بازی‌های با کارایی بالا.
• توسعه نرم‌افزارهای تعبیه‌شده: برنامه‌نویسی برای دستگاه‌های کوچک و میکروکنترلرها.
• ابزارهای CLI: ایجاد ابزارهای خط فرمان قدرتمند و سریع.

دلایل محبوبیت Rust:

• توسط توسعه‌دهندگان به دلیل ترکیب کارایی بالا و ایمنی حافظه بسیار مورد استقبال قرار گرفته است.
• Rust چندین سال متوالی به‌عنوان "محبوب‌ترین زبان" در نظرسنجی سالانه Stack Overflow انتخاب شده است.

اگر به دنبال یادگیری زبان برنامه‌نویسی قدرتمند و مدرن با تمرکز بر ایمنی و عملکرد هستید، Rust گزینه‌ای بسیار مناسب است. آموزش مقدماتی زبان Rust به شما کمک می‌کند تا با یکی از مدرن‌ترین و محبوب‌ترین زبان‌های برنامه‌نویسی آشنا شوید. Rust، که به دلیل امنیت در مدیریت حافظه، سرعت بالا و توانایی بالای همزمانی شناخته شده است، به طور گسترده‌ای در توسعه سیستم‌ها، نرم‌افزارهای با کارایی بالا و حتی پروژه‌های مرتبط با بلاکچین استفاده می‌شود. در این دوره مقدماتی، از مفاهیم پایه‌ای Rust مانند انواع داده‌ها (Scalar و Compound)، متغیرها، توابع و دستورات شرطی شروع کرده و به مباحث پیشرفته‌تری مانند سیستم مالکیت (Ownership)، مدیریت حافظه خودکار (Borrowing) و مدیریت خطاها (Error Handling) می‌پردازیم. همچنین به شما یاد می‌دهیم چگونه پروژه‌های Rust را با استفاده از ابزارهای رسمی مانند Cargo سازمان‌دهی و اجرا کنید. این آموزش مناسب افرادی است که تازه با Rust آشنا شده‌اند و به دنبال درک مفاهیم اولیه و کسب مهارت‌های لازم برای نوشتن برنامه‌های ساده هستند. در پایان این دوره، قادر خواهید بود برنامه‌های کوچک و متوسطی را با استفاده از Rust پیاده‌سازی کرده و پایه‌های قوی‌ای برای یادگیری مباحث پیشرفته‌تر در این زبان ایجاد کنید.

تفاوت زبان Rust با زبان های C++ و C چیست؟

زبان Rust برای رفع مشکلاتی که در زبان‌های C و C++ وجود دارد طراحی شده است و در عین شباهت‌هایی که با این زبان‌ها دارد، تفاوت‌های کلیدی و مهمی دارد که آن را به گزینه‌ای ایمن‌تر و مدرن‌تر تبدیل کرده است. در ادامه تفاوت‌های اصلی بین Rust و C++/C بررسی می‌شود:

1. ایمنی حافظه

• Rust:
  • از مکانیزم مالکیت (Ownership) استفاده می‌کند که تضمین می‌کند خطاهای مربوط به حافظه (مانند دسترسی به حافظه آزاد شده، استفاده از اشاره‌گرهای معلق، یا نشت حافظه) در زمان کامپایل شناسایی و رفع شوند.
  • نیازی به Garbage Collector یا مدیریت دستی حافظه ندارد و با قوانین سختگیرانه‌ی مالکیت حافظه، این کار را انجام می‌دهد.
• C/C++:
  • مدیریت حافظه به صورت دستی انجام می‌شود (با استفاده از malloc/free در C و new/delete در C++) که می‌تواند منجر به خطاهای جدی مانند نشت حافظه، دسترسی نامعتبر یا سرریز بافر شود.
  • برخی از مشکلات حافظه ممکن است تنها در زمان اجرا آشکار شوند.

2. مدیریت هم‌زمانی (Concurrency)

• Rust:
  • سیستم مالکیت Rust به‌طور خودکار از شرایط رقابتی (Race Conditions) جلوگیری می‌کند.
  • استفاده از ویژگی‌هایی مانند immutable references و thread-safe data types باعث می‌شود برنامه‌نویسی چندنخی امن‌تر و قابل اطمینان‌تر باشد.
• C/C++:
  • هم‌زمانی در این زبان‌ها پیچیده‌تر است و هیچ مکانیسم داخلی برای جلوگیری از شرایط رقابتی وجود ندارد.
  • برنامه‌نویس باید به صورت دستی از قفل‌ها و ابزارهای همگام‌سازی استفاده کند که احتمال خطا را افزایش می‌دهد.

3. کامپایلر و خطایابی

• Rust:
  • کامپایلر Rust بسیار هوشمند است و خطاهای مربوط به ایمنی حافظه و هم‌زمانی را در زمان کامپایل گزارش می‌کند.
  • پیام‌های خطای کامپایلر خوانا و کاربرپسند هستند که یادگیری و دیباگ را آسان‌تر می‌کند.
• C/C++:
  • پیام‌های خطای کامپایلر در مقایسه با Rust کمتر واضح هستند.
  • بسیاری از مشکلات، مانند خطاهای حافظه، ممکن است تا زمان اجرا شناسایی نشوند.

4. سادگی و مدرن بودن

• Rust:
  • طراحی مدرنی دارد که ویژگی‌هایی مانند match expressions، pattern matching، و option/result types را ارائه می‌دهد. این ویژگی‌ها کدنویسی را ایمن‌تر و خواناتر می‌کنند.
  • بدون پشتیبانی از کدهای ناسازگار (undefined behavior) است.
• C++/C:
  • طراحی قدیمی‌تر دارد و بسیاری از ویژگی‌های جدید در C++ (مانند lambdas یا smart pointers) به مرور زمان اضافه شده‌اند و با مشکلاتی در سازگاری عقب‌رو (backward compatibility) مواجه هستند.
  • خطاهایی مانند undefined behavior (رفتار غیرقابل پیش‌بینی) رایج هستند.

5. عملکرد

• Rust:
  • عملکرد Rust تقریباً مشابه C و C++ است، زیرا به کد ماشین کامپایل می‌شود و بهینه‌سازی‌های سطح پایینی دارد.
  • به دلیل نبود Garbage Collector، عملکرد آن در مقایسه با زبان‌هایی مثل Java و Go بهتر است.
• C++/C:
  • زبان‌های C و C++ از نظر عملکرد بسیار سریع هستند و برای برنامه‌های سیستمی و زمان واقعی مناسب هستند.
  • با این حال، عملکرد ممکن است به دلیل مشکلات ناشی از مدیریت دستی حافظه کاهش یابد.

6. کتابخانه‌ها و ابزارها

• Rust:
  • Rust یک زبان نسبتاً جدید است و جامعه کاربری آن در حال رشد است. کتابخانه‌ها و ابزارهای آن هنوز به اندازه C++ گسترده نیستند.
  • سیستم مدیریت بسته Cargo و مخزن آنلاین Crates.io فرآیند نصب و مدیریت کتابخانه‌ها را بسیار ساده می‌کند.
• C++/C:
  • دارای یک اکوسیستم عظیم از کتابخانه‌ها و ابزارهای آماده است که به دلیل قدمت بالای این زبان‌ها ایجاد شده‌اند.
  • مدیریت وابستگی‌ها در این زبان‌ها پیچیده‌تر است.

7. شیء‌گرایی

• Rust:
  • Rust از شی‌گرایی سنتی به سبک C++ پشتیبانی نمی‌کند، اما با استفاده از ویژگی‌هایی مانند traits و ترکیب، قابلیت‌های مشابه را فراهم می‌کند.
  • بر ترکیب (Composition) بیشتر تأکید دارد تا وراثت (Inheritance).
• C++:
  • کاملاً از شی‌گرایی پشتیبانی می‌کند و قابلیت‌هایی مانند چندریختی (Polymorphism)، وراثت، و کلاس‌های پیچیده دارد.

8. جامعه و پشتیبانی

• Rust:
  • جامعه‌ای در حال رشد دارد و مستندات بسیار کامل و مناسبی ارائه می‌دهد. محبوبیت آن در سال‌های اخیر به شدت افزایش یافته است.
  • ابزارهایی مانند Rust Analyzer توسعه با این زبان را لذت‌بخش می‌کنند.
• C/C++:
  • جامعه‌ای بزرگ و قدیمی دارد که شامل طیف وسیعی از توسعه‌دهندگان و منابع آموزشی است.

اگر به دنبال یک زبان ایمن‌تر، مدرن‌تر و کارآمد برای برنامه‌نویسی سیستمی و برنامه‌های چندمنظوره هستید، Rust انتخاب مناسبی است. اما اگر به یک اکوسیستم وسیع، انعطاف‌پذیری در شی‌گرایی و یا کتابخانه‌های آماده بیشتر نیاز دارید، C++ یا C ممکن است گزینه بهتری باشند.

ساخت سیستم‌عامل با استفاده از زبان Rust

ساخت سیستم‌عامل با استفاده از زبان Rust به دلیل ویژگی‌های ایمنی حافظه، کارایی بالا، و پشتیبانی از برنامه‌نویسی سطح پایین (low-level programming)، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. Rust ابزارها و امکاناتی فراهم می‌کند که برای توسعه سیستم‌عامل مناسب هستند و از بسیاری از مشکلات رایج در زبان‌هایی مثل C و C++ جلوگیری می‌کند.

مراحل ساخت سیستم‌عامل با Rust

1. تنظیم محیط توسعه

برای شروع، نیاز دارید محیطی آماده کنید که امکان کامپایل کد Rust به باینری‌های سطح پایین را فراهم کند:

• نصب Rust: Rust را از طریق rustup نصب کنید.
• تنظیم کامپایلر: از Nightly Rust استفاده کنید زیرا برخی قابلیت‌های خاص سطح پایین (مانند no_std) در نسخه‌های Stable در دسترس نیستند:

  rustup override set nightly
  

• نصب ابزارهای مرتبط: ابزارهایی مثل cargo-xbuild برای کامپایل کد سیستم‌عامل بدون وابستگی به کتابخانه استاندارد.

2. ایجاد پروژه بدون وابستگی به کتابخانه استاندارد

سیستم‌عامل‌ها معمولاً نمی‌توانند به کتابخانه استاندارد Rust (libstd) وابسته باشند، زیرا این کتابخانه برای محیط‌هایی طراحی شده که سیستم‌عامل وجود دارد. برای این کار:

• پروژه جدید ایجاد کنید:

  cargo new os --bin
  cd os
  

• وابستگی به کتابخانه استاندارد را غیرفعال کنید: در فایل Cargo.toml، گزینه زیر را اضافه کنید:

  [dependencies]
  [profile.dev]
  panic = "abort"
  [profile.release]
  panic = "abort"
  

  و در فایل main.rs:

  #![no_std]
  #![no_main]
  

3. راه‌اندازی نقطه ورود (Entry Point)

سیستم‌عامل‌ها نقطه ورود مشخصی دارند که معمولاً به جای تابع main از یک تابع دیگر (مثل _start) استفاده می‌شود:

• جایگزین کردن main با نقطه ورود:

  #[no_mangle]
  pub extern "C" fn _start() -> ! {
      loop {}
  }
  

• استفاده از ویژگی‌های Rust برای جلوگیری از پیش‌فرض‌های زبانی (مثل start یا crt0 در زبان C).

4. مدیریت بوت‌لودر

بوت‌لودر بخش ابتدایی است که سیستم‌عامل را راه‌اندازی می‌کند. برای Rust، می‌توانید از پروژه‌هایی مثل bootloader استفاده کنید.

• افزودن bootloader به پروژه: در فایل Cargo.toml:

  [dependencies]
  bootloader = "0.9"
  

• ساخت تصویر بوت‌لودر:

  cargo bootimage
  

5. پیاده‌سازی مدیریت حافظه

مدیریت حافظه یکی از بخش‌های کلیدی هر سیستم‌عامل است. Rust ابزارهایی برای کار با حافظه در سطح پایین ارائه می‌دهد:

• مدیریت صفحات حافظه: می‌توانید از crate‌هایی مثل x86_64 برای معماری x86-64 استفاده کنید.
• تخصیص حافظه: تخصیص‌دهنده خود را پیاده‌سازی کنید یا از crate‌های موجود مانند linked_list_allocator استفاده کنید.

6. مدیریت وقفه‌ها (Interrupts)

Rust به شما اجازه می‌دهد با وقفه‌ها و CPU در سطح سخت‌افزار کار کنید:

• پیاده‌سازی جدول بردار وقفه (IDT) برای مدیریت وقفه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری.
• استفاده از دستورالعمل‌های سطح پایین با crate‌هایی مانند x86.

7. سیستم فایل

• یک سیستم فایل پایه مانند FAT12 یا ext2 را پیاده‌سازی کنید.
• Rust به دلیل امنیت حافظه و مدیریت صحیح خطاها، برای توسعه سیستم فایل بسیار مناسب است.

8. درایورها و سخت‌افزار

• Rust امکان کار مستقیم با رجیسترهای سخت‌افزار را فراهم می‌کند.
• می‌توانید درایورهای دستگاه‌ها را برای ورودی/خروجی (مانند کیبورد یا نمایشگر) بنویسید.

9. ابزارها و کتابخانه‌های موجود

Rust دارای ابزارها و کتابخانه‌های مفید برای توسعه سیستم‌عامل است:

• x86_64: برای کار با معماری‌های x86-64.
• bootloader: برای مدیریت فرآیند بوت سیستم‌عامل.
• volatile: برای کار با حافظه‌های volatile.
• spin: برای مدیریت lockهای چرخشی.

پروژه‌های نمونه برای یادگیری

برای یادگیری ساخت سیستم‌عامل با Rust، می‌توانید پروژه‌های زیر را بررسی کنید:

1. Tock OS: سیستم‌عاملی برای اینترنت اشیاء.
2. Redox OS: یک سیستم‌عامل کاملاً مدرن و امن نوشته‌شده با Rust.
3. rust-osdev: یک سری آموزش عالی برای ساخت سیستم‌عامل با Rust.

مزایای استفاده از Rust برای توسعه سیستم‌عامل

1. ایمنی حافظه: جلوگیری از خطاهای حافظه رایج.
2. کارایی بالا: عملکردی مشابه C/C++.
3. سیستم مالکیت حافظه: مدیریت حافظه بدون نیاز به Garbage Collector.
4. پشتیبانی از هم‌زمانی: مدیریت امن نخ‌ها (threads).

زبان Rust با ترکیب عملکرد بالا و ایمنی حافظه، یک ابزار قدرتمند برای توسعه سیستم‌عامل است. با ابزارها و جامعه فعال، می‌توانید به‌سرعت یک سیستم‌عامل ساده یا پیشرفته را با Rust توسعه دهید.

آیا می توان با Rust سایت های تحت وب نیز ایجاد کرد؟

بله، با استفاده از زبان Rust می‌توان سایت‌های تحت وب ساخت. Rust با ارائه عملکرد بالا، ایمنی حافظه، و ابزارهای مدرن، یک انتخاب مناسب برای توسعه وب‌سایت‌های سریع و مقیاس‌پذیر است. برای توسعه وب در Rust، چندین فریم‌ورک و ابزار قدرتمند وجود دارند که روند ایجاد سایت‌های تحت وب را ساده و کارآمد می‌کنند.

چرا Rust برای توسعه وب مناسب است؟

1. کارایی بالا:
   • Rust مانند زبان‌هایی مثل C++ به کد ماشین کامپایل می‌شود، بنابراین عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد.
   • به دلیل نداشتن Garbage Collector، مناسب برای برنامه‌های بلادرنگ و حساس به تأخیر است.
2. ایمنی حافظه:
   • Rust با مکانیزم مالکیت حافظه، از مشکلاتی مانند سرریز بافر و دسترسی نامعتبر به حافظه جلوگیری می‌کند.
   • این ویژگی امنیت وب‌سایت را در برابر آسیب‌پذیری‌هایی مثل حملات Buffer Overflow افزایش می‌دهد.
3. مدیریت هم‌زمانی ایمن:
   • برای ساخت سایت‌هایی با ترافیک بالا، Rust از ابزارهای پیشرفته برای مدیریت درخواست‌های هم‌زمان (Concurrency) بهره می‌برد.
4. اکوسیستم رو به رشد:
   • Rust کتابخانه‌ها و فریم‌ورک‌های متعددی برای توسعه وب دارد که بسیاری از آن‌ها به طور مداوم به‌روزرسانی می‌شوند.

فریم‌ورک‌های محبوب برای توسعه وب در Rust

1. Actix-web

• Actix-web یکی از سریع‌ترین و پرکاربردترین فریم‌ورک‌های وب در Rust است.
• ویژگی‌ها:
  • پشتیبانی از HTTP/1 و HTTP/2.
  • مدیریت درخواست‌های هم‌زمان با استفاده از Actor System.
  • مناسب برای برنامه‌های با عملکرد بالا.
• نمونه کد:

  use actix_web::{web, App, HttpServer, Responder};
  
  async fn greet() -> impl Responder {
      "سلام از Rust!"
  }
  
  #[actix_web::main]
  async fn main() -> std::io::Result<()> {
      HttpServer::new(|| App::new().route("/", web::get().to(greet)))
          .bind("127.0.0.1:8080")?
          .run()
          .await
  }
  

2. Rocket

• Rocket فریم‌ورکی است که بر روی سادگی و کارایی متمرکز است.
• ویژگی‌ها:
  • سینتکس ساده و خوانا.
  • مدیریت خودکار پارامترهای درخواست و پاسخ.
  • امنیت بالا و پشتیبانی از TLS.
• نمونه کد:

  #[macro_use] extern crate rocket;
  
  #[get("/")]
  fn index() -> &'static str {
      "سلام دنیا از Rocket!"
  }
  
  #[launch]
  fn rocket() -> _ {
      rocket::build().mount("/", routes![index])
  }
  

3. Warp

• Warp یک فریم‌ورک مدرن و سریع برای توسعه REST API و وب‌سایت‌ها است.
• ویژگی‌ها:
  • طراحی ماژولار و قابل توسعه.
  • پشتیبانی از WebSocket و فیلترهای قابل ترکیب.
• نمونه کد:

  use warp::Filter;
  
  #[tokio::main]
  async fn main() {
      let hello = warp::path!("hello" / String)
          .map(|name| format!("سلام، {}!", name));
  
      warp::serve(hello)
          .run(([127, 0, 0, 1], 3030))
          .await;
  }
  

4. Axum

• Axum یک فریم‌ورک سبک و مدرن است که با استفاده از کتابخانه Tokio ساخته شده است.
• ویژگی‌ها:
  • ساده و مناسب برای ایجاد API‌های RESTful.
  • پشتیبانی از WebSocket.
• نمونه کد:

  use axum::{routing::get, Router};
  
  #[tokio::main]
  async fn main() {
      let app = Router::new().route("/", get(|| async { "سلام از Axum!" }));
      axum::Server::bind(&"127.0.0.1:3000".parse().unwrap())
          .serve(app.into_make_service())
          .await
          .unwrap();
  }
  

چه نوع سایت‌هایی را می‌توان با Rust ساخت؟

1. APIهای RESTful:
   • ساخت سرویس‌های وب برای ارتباط بین سیستم‌ها.
   • استفاده از JSON، WebSocket، یا gRPC برای انتقال داده‌ها.
2. سایت‌های استاتیک:
   • استفاده از Rust برای پردازش و تولید صفحات استاتیک.
   • ابزارهایی مثل mdBook یا zola برای این کار مناسب هستند.
3. سایت‌های پویا:
   • با استفاده از فریم‌ورک‌هایی مثل Actix و Rocket، می‌توان سایت‌هایی با محتوای پویا ایجاد کرد.
4. پشتیبانی از WebSocket:
   • برای ساخت چت‌های زنده یا اپلیکیشن‌های بلادرنگ مانند بازی‌های تحت وب.
5. سرویس‌های بک‌اند با عملکرد بالا:
   • Rust به دلیل سرعت و مدیریت حافظه کارآمد، برای سرویس‌های بک‌اند که نیاز به پردازش سنگین دارند ایده‌آل است.

ابزارهای مرتبط با توسعه وب در Rust

1. Tokio:
   • یک runtime غیرهمگام (asynchronous) برای مدیریت درخواست‌ها.
   • بسیار سریع و مناسب برای ساخت سرویس‌های بلادرنگ.
2. Serde:
   • کتابخانه‌ای برای سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی داده‌ها (مثلاً JSON).
3. Diesel:
   • یک ORM قدرتمند برای کار با دیتابیس‌ها.
4. SQLx:
   • کتابخانه‌ای برای کار با دیتابیس‌ها با پشتیبانی از کوئری‌های غیرهمگام.

مزایا و معایب استفاده از Rust برای توسعه وب

مزایا:

• عملکرد بالا و مناسب برای سایت‌هایی با ترافیک سنگین.
• ایمنی حافظه که امنیت برنامه را افزایش می‌دهد.
• ابزارهای مدرن و انعطاف‌پذیر.
• پشتیبانی از async/await برای مدیریت درخواست‌ها.

معایب:

• یادگیری Rust ممکن است برای مبتدیان چالش‌برانگیز باشد.
• اکوسیستم آن نسبت به زبان‌هایی مثل JavaScript و Python هنوز کوچک‌تر است.
• توسعه frontend (مثلاً HTML و CSS) مستقیماً در Rust دشوار است، اما می‌توان با استفاده از ابزارهایی مثل WASM تعامل بهتری داشت.

در نتیجه Rust یک انتخاب ایده‌آل برای ساخت سایت‌های تحت وب است، مخصوصاً زمانی که به عملکرد، امنیت، و مقیاس‌پذیری اهمیت می‌دهید. با استفاده از فریم‌ورک‌هایی مثل Actix، Rocket، و Warp می‌توانید سایت‌هایی سریع و ایمن بسازید. اگرچه یادگیری Rust ممکن است کمی زمان‌بر باشد، اما ارزش یادگیری آن برای توسعه‌دهندگانی که به دنبال زبان‌های مدرن و کارآمد هستند، بسیار بالاست. بیشتر