Rust là gì? Có ăn được không?

Bài viết được sự cho phép của tác giả Huy Trần

Rust (đọc là /rʌst/) là một ngôn ngữ lập trình hệ thống (system programming language) được quảng bá là có tốc độ cực kì nhanh, ngăn chặn được phần lớn mọi bug crash (segfaults), ngăn chặn được data race, rất memory safe mà lại không cần tới garbage collector!

Cú pháp cơ bản của một chương trình Hello World trong Rust như thế này:

fn main() {
  println!("hello, {}", "world");
}

Bạn thấy gì qua đoạn chương trình trên nào? Có vẻ vừa giống C, vừa giống Go hay Swift, Java, C#,… mỗi thứ một tí, đúng không?

Tại sao nên dùng Rust?

Chắc các bạn cũng biết đến khả năng kiểm soát tài nguyên khi làm việc với các ngôn ngữ như C/C++ hay Java, Python, Ruby, JavaScript,…

Với C/C++, bạn được:

• Toàn quyền kiểm soát mọi thứ (malloc, free,…)
• Thường xuyên đau đầu với memory leak, data race, segfaults,…

Đối với thiên đường JavaScript hay Ruby, bạn:

• Chẳng cần phải quan tâm một biến được cấp phát như thế nào và mất đi ra sao
• Nhưng trade-off của nó chính là performance cực kì tệ hại.

Rust là giải pháp kết hợp cho ưu điểm của cả 2 loại ngôn ngữ trên, khi làm việc với Rust, bạn không cần phải quan tâm tới việc bị memory leak hay segfault, khi làm multi thread, bạn không còn sợ data race vì rust compiler đã lo hết chuyện đó cho bạn, để đảm bảo trong lúc chạy (runtime) thì chương trình sẽ luôn hoạt động một cách an toàn và vẫn đảm bảo được tốc độ và performance tối ưu nhất.

À! Chắc sẽ có bạn hỏi: Rust và Go thì nên chọn ai? Nếu có cùng thắc mắc, thì đương nhiên là chọn Rust rồi, vì mình đang quảng cáo Rust mà :)) xin mời bạn xem bài này nhé.

Rust nhanh tới mức nào?

OK. Đầu tiên phải nói ngay là Rust không phải ngôn ngữ lập trình nhanh nhất, trong số các ngôn ngữ lập trình bậc cao (high level programming language), không có cái nào như thế cả.

Vậy ngôn ngữ nào mới là nhanh nhất? và vì sao nó nhanh?

Kẻ đạt danh hiệu đó chắc phải nói đến Assembly, đó là nơi bạn toàn quyền kiểm soát một biến được tạo ra ở đâu, khi nào. Thích tạo ra trong stack hay trong heap là tùy bạn. Bạn được toàn quyền với bộ nhớ, vì bộ nhớ là của nó luôn, thích xài lúc nào là xài.

Mà khoan đã! Khả năng kiểm soát liên quan gì tới tốc độ?

Trong Assembly, mỗi instruction (lệnh) được viết ra đều được map chính xác với binary code/machine opcode mà từng loại CPU cung cấp (“close to the metal”).

Khi làm việc với Assembly, bạn phải nắm được tập lệnh (instruction set) của loại CPU mà bạn đang làm việc – và với mỗi loại CPU khác nhau thì lại có một tập lệnh khác nhau – và nó một loại cú pháp hết sức gần gũi với máy tính (nhưng xa lạ với con người :)))

C ra đời để khắc phục nhược điểm này của Assembly, đưa sức mạnh kiểm soát của Assembly vào chung với cú pháp thân thiện hơn với các lập trình viên.

Bằng cách lượt bỏ hết những dòng lệnh phức tạp của mã máy, C thay thế bằng các câu lệnh đơn giản hơn (syntax sugar). Ví dụ:

.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.macosx_version_min 10, 12
	.globl	_main
	.align	4, 0x90
_main:                                  ## @main
	.cfi_startproc
## BB#0:
	pushq	%rbp
Ltmp0:
	.cfi_def_cfa_offset 16
Ltmp1:
	.cfi_offset %rbp, -16
	movq	%rsp, %rbp
Ltmp2:
	.cfi_def_cfa_register %rbp
	xorl	%eax, %eax
	movl	$100, -4(%rbp)
	popq	%rbp
	retq
	.cfi_endproc
 
 
.subsections_via_symbols

Đoạn mã Assembly trên là những gì sẽ được compiler dịch ra cho đoạn chương trình C sau:

int main() {
  int number = 100;
}

Chỉ với 3 dòng code C (mid level language), bạn sẽ không còn phải vật vã viết từng lệnh để cấp phát bộ nhớ, move giá trị vào từng ô nhớ, giải phóng nó khi kết thúc chương trình trong Assembly nữa. Vì C đã đơn giản hóa vấn đề bằng cách “giấu” đi tất cả những thao tác đó và đưa ra cho bạn một cú pháp vô cùng đơn giản là int number = 100;.

Việc “giấu” bớt các thao tác rườm rà và cung cấp một phương pháp đơn giản hơn để thực hiện một vấn đề được gọi là abstraction, và điều này diễn ra càng nhiều hơn ở các ngôn ngữ lập trình bậc cao như C#, Java, Ruby, JavaScript, Python,…

Lợi thế của abstraction đó là giúp cho lập trình viên rảnh tay để còn tập trung vào những thứ khác quan trọng hơn như code logic, business của chương trình. Nhưng thực chất thì các thao tác phức tạp bên dưới vẫn phải được thực hiện, và compiler của từng ngôn ngữ sẽ có nhiệm vụ “viết” các đoạn code đó ra thay cho bạn. Kết quả là gì?

Như đã nói ở trên thì mỗi nền tảng phần cứng lại có một tập lệnh khác nhau, vậy nên phần code được compiler “thêm” vào phải được viết theo một cách không thể phụ thuộc vào từng loại phần cứng cụ thể. Ví dụ nó không thể chắc chắn được phải truy cập vào đâu để lấy thông tin về chuột/bàn phím, thế là nó phải tốn thêm một bước đó là: Hỏi máy tính xem con chuột nó nằm ở đâu để truy vấn tới. Và thế là, thay vì chỉ làm mỗi nhiệm vụ đọc xem nút nào trên con chuột vừa được nhấn xuống, nó phải làm thêm một vài việc nữa như là chạy tới hỏi anh kernel của hệ điều hành xem nhà anh chuột nằm ở đâu, rồi chạy qua nhà anh chuột gõ cửa xem ảnh có nhà không,… và những việc lôi thôi đó tốn thêm một ít thời gian nữa.

Những gì ở bên dưới thì bạn sẽ không thể kiểm soát hay can thiệp vào để tối ưu hóa nó được, ví dụ: Bạn không bao giờ có thể chủ động giải phóng một vùng nhớ khi dùng Garbage Collector, bạn không thể yêu cầu JavaScript tạo ra một biến nằm trong stack hay heap theo ý bạn được,… và bạn phải chấp nhận với cái cách nó đốt thời gian như là một sự thật hiển nhiên.

Đánh đổi tốc độ, gia tăng các lớp abstraction, giúp cho lập trình viên có thể viết code một cách thoải mái hơn, xây dựng sản phẩm nhanh hơn. Đó là bản chất xấu xa của các high level programming languages :))

Xem thêm các việc làm JavaScript lương cao trên TopDev

Zero-cost Abstraction

Cũng giống như C/C++, bên cạnh khả năng kiểm soát gần như tuyệt đối (vâng, Rust cũng có thể cho bạn kiểm soát đến từng ô nhớ!), Rust chọn zero-cost abstraction làm một trong những nguyên tắc nền tảng của nó.

C++ implementations obey the zero-overhead principle: What you don’t use, you don’t pay for [Stroustrup, 1994]. And further: What you do use, you couldn’t hand code any better.

– Stroustrup

Rust design ra các abstraction dễ dùng, nhưng được compile về machine code một cách rất hiệu quả và không làm ảnh hưởng đến tốc độ của toàn chương trình, các high-level API được compile về machine code một cách ít nhất và tối ưu nhất (you pay for the features you actually use).

Ngoài ra Rust còn giới thiệu khái niệm Traits giúp bạn được làm việc giống như trên các ngôn ngữ lập trình bậc cao nhưng vẫn đảm bảo được khả năng kiểm soát code và tài nguyên như các ngôn ngữ lập trình bậc thấp!

Tốc độ của Rust

Khi so sánh với các ngôn ngữ khác, thực sự thì đây là một việc không cần thiết, nhưng chúng ta có thể tham khảo, bảng so sánh tốc độ thực thi tính tổng dãy số Fibonacci giữa các ngôn ngữ Rust, Go, NodeJS và Swift:

Bạn có thể xem bảng so sánh performance của Rust và một số ngôn ngữ khác tại:

• The Computer Language Benchmarks Game
• Go vs Node vs Rust vs Swift

Rust an toàn tới cỡ nào?

Một trong những điểm mà Rust quảng cáo đó là an toàn, không bao giờ bị crash, vậy làm sao Rust đạt được những điều đó?

Câu trả lời nằm ở Rust Compiler.

Thông thường, phần lớn lỗi của một chương trình C/C++ sẽ liên quan đến việc truy xuất bộ nhớ khi thực thi (runtime error – ví dụ bạn truy cập vào vùng bộ nhớ đã bị giải phóng, sử dụng nhầm các biến có giá trị null, lỡ tay tạo ra nhiều thread cùng ghi vào một vùng nhớ,…)

Để ngăn chặn vấn đề này, Rust Compiler đề ra một loạt các quy tắc để kiểm tra ngay khi nó biên dịch chương trình, chúng ta sẽ không đi sâu vào các quy tắc này, nhưng mình sẽ nói sơ qua:

• Mọi biến mặc định đều là immutable, và không được mang giá trị null (nên không có lỗi NullReferenceException)
• Trong Rust, một vùng nhớ luôn có một biến sỡ hữu nó.
• Gán một biến vào một biến khác, tức là bạn chuyển quyền sở hữu vùng nhớ của biến đó cho biến mới. Biến cũ không được quyền truy xuất tới đó nữa.
• Trong một thời điểm, chỉ có một trong hai trường hợp có thể xảy ra, đó là:
  • Nhiều biến khác có thể mượn vùng nhớ đó chỉ để đọc (read only).
  • Chỉ có một biến có quyền mượn để ghi giá trị lên đó.
• Một biến chỉ có thể tồn tại bên trong scope của nó, ra khỏi scope đó nó sẽ bị giải phóng ngay lập tức.

Bất cứ khi nào lập trình viên vi phạm các quy tắc này, Rust sẽ báo cho bạn biết ngay khi biên dịch, chứ không để lọt lỗi.

Trong số các quy tắc được liệt kê ở trên, trừ quy tắc đầu tiên ra, thì những mục còn lại chính là Ownership, Borrowing & Lifetime System của Rust.

Ví dụ với đoạn code sau minh họa cho vấn đề chuyển quyền sở hữu đề cập ở trên:

let v = vec![1, 2, 3];
let v2 = v;
 
println!("v[0] is: {}", v[0]);

Theo lẽ thường, chúng ta nghĩ đoạn code trên sẽ in ra số 1, là giá trị của v[0]. Nhưng khi biên dịch thì sẽ gặp ngay lỗi:

error: use of moved value: `v`
println!("v[0] is: {}", v[0]);

Đừng lo nếu bạn không hiểu tại sao lại phát sinh ra lỗi này, ví dụ này chỉ để minh họa cho bạn thấy về khả năng bắt lỗi runtime ngay cả trong compile time của Rust thôi.

Rust không cần Garbage Collector?

Đúng vậy, Rust không có garbage collector (GC), nhưng vẫn đảm bảo được tính an toàn về bộ nhớ, đây là một trong những chức năng đặc biệt của Rust.

Thay vào đó, Rust Compiler sẽ dự đoán được khi nào một biến sẽ hết được sử dụng và tự động chèn thêm code logic để giải phóng nó, giảm thiểu chi phí cho việc quản lý bộ nhớ lúc runtime.

fn main() {
    let score = 10; // Khởi tạo vùng nhớ mới, cấp phát cho biến score
    // Tới đây là hết scope của biến score, mình nên giải phóng nó đi thôi 
}

Đoạn trên là diễn biến suy nghĩ của Rust Compiler qua từng dòng code :))

Và việc này được kiểm soát thông qua Ownership System.

Việc không có GC còn giúp Rust có thể dễ dàng được nhúng vào các ngôn ngữ có GC khác nữa.

Dùng Rust có thể làm được gì?

Đây là câu hỏi mà mình thấy nhiều người hỏi nhất.

Câu trả lời là: Mọi thứ!

Mặc dù là một ngôn ngữ lập trình hệ thống (system programming language), nhưng Rust nhắm tới việc cạnh tranh với C/C++ để tăng độ an toàn và cải thiện performance cho các phần mềm được viết ra, vì thế Rust có thể làm được mọi thứ mà C/C++ làm được, ví dụ:

• Viết hệ điều hành
• Lập trình web
• Phát triển mobile app
• Viết Terminal Emulator
• Machine Learning
• Viết Database
• Viết DNS server
• Viết browser engine
• Viết Giả lập Playstation/NES/Gameboy/…
• Viết Game
• Xử lý ảnh
• Lập trình mạng
• …

Giờ bắt đầu học Rust như thế nào?

Để bắt đầu, các bạn có thể tham khảo một số tài liệu sau:

• Rust by Example: Trang web tổng hợp đầy đủ các ví dụ từ đơn giản đến phức tạp để giúp bạn làm quen với cú pháp và các kĩ thuật trong Rust.
• Sách The Rust Programming Language: Đây là cuốn sách chính thức của Rust, trình bày một cách đầy đủ và chi tiết từ A-Z khi học Rust.
• Slide Rust’s Ownership and Move Semantics: Một slide khá chi tiết trình bày về Ownership System của Rust.

Ngoài ra, các bạn có thể tham gia vào các cộng đồng Rust như:

• Diễn đàn: Diễn đàn chính thức của Rust
• IRC: Kênh IRC để hỏi các vấn đề khi học Rust
• Bản tin This Week in Rust: Nơi cập nhật tin tức hàng tuần về Rust, những thư viện mới, những sự kiện sắp diễn ra,…
• Rust Blog: Nơi core team của Rust đưa ra các thông báo mới nhất về ngôn ngữ này.
• Reddit: Subreddit về Rust

For fun, bạn nên biết một số từ vựng nên biết trước khi gia nhập cộng đồng này :))

• Rustacean: Là từ chỉ những người sử dụng Rust, giống như Gophers hay Rubyist hay Alchemist (của Elixir).
• Rustlandia: Là khu vực mà các rustaceans hoạt động, cái này chắc chỉ có hội Rust mới có :))

Ngoài ra chúng ta cũng có cộng đồng Rust Việt Nam:

• Trang web
• Facebook Page
• GitHub
• Slack Chat: Join vào channel #rustlang

Hẹn gặp lại các bạn ở Rustlandia!!!

Bài viết gốc được đăng tải tại snacky.blog

Có thể bạn quan tâm:

• Implement bài toán duyệt cây nhị phân với Rust
• Đừng đánh nhau với borrow checker
• Sửa lỗi tổ hợp phím ALT+ F4 không sử dụng được trên Windows

Xem thêm các việc làm ngành IT hấp dẫn trên TopDev