Rust (linguagem de programação)

Rust
Paradigma	Multiparadigma: concorrente, estruturada, funcional, genérica, imperativa
Surgido em	2010 (10–11 anos)
Última versão	1.49.0 (31 de dezembro de 2020)
Criado por	Graydon Hoare, Rust Project Developers, Mozilla
Estilo de tipagem:	Estática, forte, inferida
Compiladores	rustc
Influenciada por	Alef, C#, C++, Cyclone, Erlang, Haskell, Limbo, Newsqueak, OCaml, Ruby, Scheme, Standard ML, Swift
Influenciou	Crystal, Elm, Idris, Nim, PHP, SPARK, Swift, Verona, Zig
Plataforma	Prioridade 1 AArch64 (Linux), i686, x86-64 Prioridade 2 ARM e AArch64, PowerPC e PPC64, i386, i586, MIPS e MIPS64, SPARC, RISC, S390x, asm.js, WebAssembly
Sistema operacional	Prioridade 1 Linux, Windows, macOS Prioridade 2 FreeBSD, NetBSD, Android, iOS, Fuchsia, Solaris, Redox
Licença:	MIT ou Apache 2.0
Extensão do arquivo:	.rs, .rlib
Página oficial	www.rust-lang.org

Rust é uma linguagem de programação multiparadigma compilada desenvolvida pela Mozilla Research. É projetada para ser "segura, concorrente e prática", mas diferente de outras linguagens seguras, Rust não usa coletor de lixo. Possui suporte nativo ao WebAssembly.

A linguagem apareceu como um projeto pessoal de Graydon Hoare, empregado da Mozilla. A organização começou a apoiar o projeto em 2009 e anunciou-o em 2010. No mesmo ano, os esforços mudaram do compilador original (escrito em OCaml) para um auto-hospedado feito em Rust. Conhecido por rustc, conseguiu compilar-se pela primeira vez em 2011 e utiliza o LLVM como back-end. Foi lançada pela primeira vez uma versão numerada pré-alfa em 2012. Rust 1.0, a primeira versão estável, foi lançada em 15 de Maio de 2015.

Foi considerada pelo público a linguagem "mais amada" por cinco anos consecutivos, de acordo com pesquisas conduzidas pelo site Stack Overflow de 2016 a 2020, e está entre as 25 linguagens mais populares, de acordo com pesquisas conduzidas pela RedMonk desde 2018.

Design

Rust se baseia nos seguintes princípios: segurança sem coletor de lixo, concorrência sem disputa de dados e abstração sem overhead. Estes princípios fazem com que Rust seja rápida para ser usada em aplicações de baixo nível como o motor de renderização Servo e também prática para projetos de alto nível.

Em Rust não existem ponteiros nulos ou ponteiros soltos, impossibilitando falhas de segmentação. Rust gerencia memória e recursos automaticamente, sem necessitar de um coletor de lixo. A linguagem impede corridas de dados entre threads pois não é possível que duas threads possam modificar um mesmo valor ao mesmo tempo. Para que uma referência possa ser compartilhada entre várias threads, ela deve ser somente leitura. Existem diversas técnicas seguras de comunicação entre threads.

O princípio de abstração sem overhead vem do C++. Nas palavras de Bjarne Stroustrup: "Você não paga por aquilo que você não usa. E mais: aquilo que você usa, não conseguiria programar melhor à mão". Rust permite um alto grau de abstração através do sistema de traits, que são interfaces que podem ser implementadas separadamente da declaração de um tipo. Tipos genéricos são utilizados extensamente.

O projeto Rust usa o conceito de "canais de lançamento", semelhante ao Mozilla Firefox; são 3 canais: Nightly, Beta e Stable ("estável"). Diariamente é lançada uma nova versão Nightly, e a cada seis semanas a última versão desse canal é promovida para Beta, e só receberá atualizações para corrigir falhas sérias. Simultaneamente, a última versão Beta é promovida para Stable.

Eventualmente a sintaxe da linguagem evolui, e novas palavras-chave podem ser adicionadas. Para evitar a quebra de compatibilidade com códigos antigos, novas edições são lançadas, que projetos antigos podem ativar opcionalmente. Também é possível usar palavras-chave como identificadores, usando a seguinte sintaxe:

// `match` é uma palavra-chave
fn r#match(needle: &str, haystack: &str) -> bool {
    haystack.contains(needle)
}

Enumerações e casamento de padrões

Rust possui enumerações de tipagem forte, que podem carregar valores diversos. Casamento de padrões é muito importante em Rust, pois as enumerações são a base do tratamento de erros. Exemplo de declaração de enumerações e o casamento de padrões:

enum Browser {
    Chrome,
    Firefox,
    Safari,
    Edge,
    Ie(u8),
}

let browser = Browser::Ie(11);
match browser {
    Browser::Chrome | Browser::Edge => println!("Chromium"),
    Browser::Ie(version) => println!("Internet Explorer {}", version),
    _ => println!("Outro navegador"),
}

O comando match pode retornar valores e também pode ser usado com outros tipos. Exemplo:

let age = 27;
let category = match age {
    // `0..=4` é um padrão inclusivo (inclui 0, 1, 2, 3 e 4)
    0..=4 => "bebê",
    5..=13 => "criança",
    14..=17 => "adolescente",
    _ => "adulto",
};
println!("Com {} ano(s) você é considerado {}.", age, category);

Rust usa enumerações para representar a inexistência de um valor na forma de enum Option<T> { None, Some(T) }. Exemplo:

let website = Some("http://www.example.com"); // `website: Option<&str>`
match website {
    None => println!("Website não especificado."),
    Some(addr) => println!("Website: {}", addr),
}

// Forma alternativa
if let Some(addr) = website {
    println!("Website: {}", addr);
}

Tratamento de erros

Rust não possui exceções como em C++. Ao invés disso, possui duas representações de erros: recuperáveis e irrecuperáveis. Os erros recuperáveis são os esperados no fluxo normal de um programa, e são comunicados através do retorno de funções na forma de enum Result<T, E> { Ok(T), Err(E) }. Exemplo:

use std::fs::File;
use std::io::prelude::*;

fn main() {
    match File::open("exemplo.txt") {
        // Se o arquivo existir
        Ok(mut file) => {
            let mut txt = String::new();

            file.read_to_string(&mut txt).ok();
            println!("{}", txt);
        }
        // Se o arquivo não existir
        Err(err) => eprintln!("Erro: {}", err),
    }
}

É possível simplificar o código retornando os erros com o operador ?:

use std::fs::File;
use std::io::prelude::*;

// `type std::io::Result<T> = Result<T, std::io::Error>`
fn main() -> std::io::Result<()> {
    let mut file = File::open("exemplo.txt")?;
    let mut txt = String::new();

    file.read_to_string(&mut txt)?;
    println!("{}", txt);
    Ok(()) // Retorna `()` como sucesso
}

Os erros irrecuperáveis são usados para sinalizar problemas na lógica de um programa, como divisões por zero, e causam o encerramento do programa. Exemplo:

let num = 10 / 0; // "Pânico"
panic!("Isto não deveria acontecer!"); // Alerta "pânico" manualmente

Rust permite recuperar de alguns "pânicos" com a função especial std::panic::catch_unwind(), que não deve ser usada para emular o tratamento de exceções de C++.

Genéricos, tempo de vida, e posse

Rust possui suporte a programação genérica e o conceito de ownership (posse). Valores podem ter apenas um dono; quando o dono sai de escopo, o valor é destruído. Valores podem ser emprestados (borrowing) ou movidos (move). Em certas ocasiões, como em referências circulares, é necessário especificar o lifetime (tempo de vida) de uma referência. Exemplo de uma árvore binária em Rust:

// `'a` é um lifetime, e `T` é um tipo genérico
#[derive(Debug)]
enum Tree<'a, T> {
    Empty,
    Node(T, &'a Tree<'a, T>, &'a Tree<'a, T>),
}

use Tree::{Empty, Node};

let tree = &Node(5.96, &Empty, &Node(1.0, &Empty, &Empty));

// O primeiro membro é movido; ignora demais membros
if let Node(value, ..) = tree {
    println!("{:?}", value);
}

// Ignora o primeiro membro; o terceiro membro é emprestado
if let Node(_, left, ref right) = tree {
    println!("-> {:?}", left);
    println!("-> {:?}", right);
}

Rust é mais restrita que outras linguagens; um valor imutável pode ter várias referências, mas um valor mutável pode ter apenas uma. Para o segundo caso, é necessário usar uma das várias estruturas de referência como std::rc::Rc (contagem de referências), std::cell::RefCell (mutabilidade interna), entre outras. Outra possibilidade é o uso de alocação de arena.

Se houver ambiguidade na invocação de um método genérico, o tipo pode ser explicitado com o símbolo turbofish (::<>). Exemplo:

let dollar = "5.96".parse::<f64>().unwrap();
println!("US$ 1.00 = R$ {}", dollar);

Traços

Rust possui suporte a traços (traits) que podem ser implementados por estruturas, enumerações e uniões. Traços podem ser deriváveis, como o Debug, onde é gerado um código padrão para implementar o traço em um objeto marcado com o atributo #[derive(…)]. A implementação padrão é definida através de macros procedurais. Exemplo de traços:

trait Animal {
    fn walk(&self);
}

trait Feline: Animal {
    // Traços podem fornecer definições padrões para métodos
    fn meow(&self) {
        println!("Miau!");
    }
}

E para implementar os traços:

struct Cat<'a> {
    name: &'a str,
}

impl Animal for Cat<'_> {
    fn walk(&self) {
        println!("{} anda.", self.name);
    }
}

impl Feline for Cat<'_> {}

// E o mesmo para `Dog`…

E a invocação dos métodos:

let cat = Cat { name: "Charlotte" };
cat.walk(); // É um animal
cat.meow(); // É um felino

Estruturas, enumerações, uniões e funções podem especificar os traços dos membros/parâmetros de forma estática (genérica):

fn make_walk<T>(animal: &T)
where
    T: Animal,
{
    animal.walk();
}

// Ou o equivalente:
fn make_walk<T: Animal>(animal: &T) {
    animal.walk();
}

// Ou de forma mais compacta (incompatível com o turbofish):
fn make_walk(animal: &impl Animal) {
    animal.walk();
}

Ou de forma dinâmica (trait objects):

fn make_walk(animal: &dyn Animal) {
    animal.walk();
}

Em ambos os casos a instância é passada da mesma maneira:

let cat = Cat { name: "Charlotte" };
let dog = Dog { name: "Duke" };

make_walk(&cat);
make_walk(&dog);

Iteradores e clausuras

Rust possui um literal para representar iteradores, e traz em sua biblioteca padrão métodos para transformá-los, usando clausuras. No exemplo a seguir o programa lista os números primos entre 4 e 20:

let mut numbers = vec![];
// `4..=20` é um iterador inclusivo (inclui 20)
for i in 4..=20 {
    // `2..i` é um iterador exclusivo, ex.: `2..5` inclui 2, 3 e 4.
    // `|x| i % x != 0` é uma clausura que recebe `x` e retorna um booliano.
    if (2..i).all(|x| i % x != 0) {
        numbers.push(i);
    }
}
println!("Os números primos entre 4 e 20 são: {:?}", numbers);

Clausuras podem capturar valores do ambiente de três maneiras: emprestando imutavelmente, mutavelmente ou movendo. A última é realizada com a palavra-chave move. Exemplo:

use std::thread;

let msg = "Olá, Mundo!".to_owned();

thread::spawn(move || {
    println!("{}", msg); // `msg` movido aqui
});

As clausuras são representadas por três traços:

• Fn – Empresta valores do ambiente imutavelmente
• FnMut – Empresta valores do ambiente mutavelmente; aceita também instâncias de Fn
• FnOnce – Move os valores do ambiente e pode ser chamada apenas uma vez; aceita também instâncias de Fn e FnMut

Exemplo:

fn convert<F>(num: f64, handler: F) -> f64
where
    F: FnOnce(f64) -> f64, // Assinatura da clausura
{
    handler(num)
}

fn main() {
    let y = convert(499.0, |num| num * 5.96);
    println!("{}", y);
}

Clausuras possuem um tipo único, mesmo que com a mesma assinatura; por esse motivo, para retornar uma clausura de uma função, é necessário usar uma sintaxe especial:

fn convert() -> impl FnOnce(f64) -> f64 {
    move |num| num * 5.96
}

fn main() {
    let f = convert();
    println!("{}", f(499.0));
}

Exemplos

Programa Olá Mundo

Ver artigo principal: Programa Olá Mundo

fn main() {
    println!("Olá, Mundo!");
}

Pode ser compilado e executado com o seguinte comando:

$ cargo run

Algoritmo de Trabb Pardo-Knuth

Ver artigo principal: Algoritmo de Trabb Pardo-Knuth

use std::io::{stdin, BufRead};

fn f(t: f64) -> f64 {
    t.abs().sqrt() + 5.0 * t.powi(3)
}

fn main() {
    let mut a = [0f64; 11];
    for (t, input) in a.iter_mut().zip(stdin().lock().lines()) {
        *t = input.unwrap().parse().unwrap();
    }

    a.iter().enumerate().rev().for_each(|(i, &t)| match f(t) {
        y if y > 400.0 => println!("{} TOO LARGE", i),
        y => println!("{} {}", i, y),
    });
}

Rust lida com transbordamento numérico retornando f64::NAN.

Concorrência

Ver artigo principal: Programação concorrente

Exemplo retirado da documentação oficial:

use std::sync::mpsc::channel;
use std::thread;

fn main() {
    let (tx, rx) = channel();

    let sender = thread::spawn(move || {
        tx.send("Olá, Mundo!".to_owned())
            .expect("Não foi possível enviar para o canal");
    });

    let receiver = thread::spawn(move || {
        let value = rx.recv().expect("Não foi possível receber do canal");
        println!("{}", value);
    });

    sender.join().expect("O remetente entrou em pânico");
    receiver.join().expect("O destinatário entrou em pânico");
}

Ferramentas

Cargo é a ferramenta de produtividade oficial, e usa arquivos TOML para listar dependências e configurações de um projeto. Um projeto pode ser testado usando o comando $ cargo test. A documentação de um projeto pode ser gerada a partir de comentários especiais em Markdown, usando o comando $ cargo doc.

Rust possui uma implementação do Language Server Protocol, o RLS, que fornece autocompletar, formatação e refatoração independente do editor de texto ou ambiente de desenvolvimento integrado. Uma implementação alternativa existe, o rust-analyzer. Os seguintes editores dão suporte ao RLS de forma nativa ou através de extensões/plugins:

• Visual Studio Code – fornecido pela extensão oficial
• Sublime Text – fornecido pelo pacote oficial Rust Enhanced
• Atom – fornecido pelo pacote oficial ide-rust
• Visual Studio – fornecido por uma extensão
• Eclipse – fornecido pelo plugin Corrosion
• GNOME Builder – suporte nativo

Outras ferramentas dão suporte a Rust através de implementações próprias sem o uso do RLS:

• Vim – fornecido pelo plugin oficial rust.vim
• IntelliJ IDEA – fornecido pelo plugin IntelliJ Rust
• Emacs – fornecido pelo plugin oficial rust-mode

Software desenvolvido em Rust

Navegadores web

• Mozilla Firefox
  • Gecko – motor de renderização do Firefox com componentes do Servo
  • Servo – motor de renderização experimental

Rede

• Discord – um serviço de chat para gamers; Rust usado no servidor e no aplicativo
• Tor – uma rede anônima; usa Rust em alguns componentes
• OpenDNS – um serviço de DNS
• Cloudflare Workers – CDN com WebAssembly
• npm Registry – um serviço de hospedagem de dependências para Node.js

Sistemas operacionais

• Microsoft Windows – usa Rust em alguns componentes
• Redox – um sistema operacional tipo Unix com micronúcleo
• Stratis – um sistema de arquivos usado pelo Fedora e RHEL
• Magic Pocket – sistema de armazenamento do Dropbox

Outros

• librsvg – um motor de renderização de SVG; é usado pelo GNOME e pela Fundação Wikimedia
• ripgrep – um substituto moderno do grep; é usado pelo Visual Studio Code
• Deno – um substituto do Node.js desenvolvido pelo criador original
• Xi – um editor de texto usado pelo Google Fuchsia
• Diem – uma criptomoeda criada pelo Facebook

Ver também

• C++
• Go (linguagem de programação)
• Servo (motor de renderização)
• Swift (linguagem de programação)

Ligações externas

• Sítio oficial
• Rust no GitHub
• «The Rust Programming Language» (em inglês). Livro oficial 
• «Rust Playground» (em inglês). Experimente Rust online