Programowanie w języku Rust. Wydajność i bezpieczeństwo - ebook

Programowanie systemowe zwykle nie interesuje twórców aplikacji. Niemniej warunkiem jej poprawnego działania jest właśnie kod systemowy. Programowanie systemowe zapewnia między innymi działanie systemu operacyjnego, sterowników, systemu plików, kodeków, a także zarządzanie pamięcią czy obsługę sieci. Jako że dotyczy wykorzystania zasobów, każdy szczegół, każdy bajt pamięci operacyjnej i każdy cykl procesora ma znaczenie. Rust - wyjątkowe narzędzie, cenione za szybkość, współbieżność i bezpieczeństwo - sprawi, że tworzenie kodu systemowego będzie łatwiejsze. Jednak tym, którzy dotychczas używali C#, Javy czy Pythona, język ten może się wydawać dość trudny do zrozumienia.

Ta książka jest znakomitym wprowadzeniem do języka Rust, pozwala też rozeznać się w zasadach programowania systemowego. Pokazuje, w jaki sposób zapewnić w kodzie bezpieczeństwo pamięci i wątków oraz sprawić, aby program był wykonywany szybko i bez błędów. Poszczególne zagadnienia zostały przedstawione jasno i przystępnie, a prezentowane koncepcje - zilustrowane licznymi przykładami kodu. Nie zabrakło również wskazówek ułatwiających bezproblemowe tworzenie wydajnego i bezpiecznego kodu. Książka jest przeznaczona przede wszystkim dla programistów systemowych, jednak przyda się także twórcom aplikacji, którym pozwoli zrozumieć zasady rządzące językiem Rust, a w efekcie tworzyć lepszy i łatwiejszy w utrzymaniu kod.

W tej książce między innymi:

• solidne wprowadzenie do języka Rust
• podstawowe typy danych, własności i referencje
• obsługa błędów w języku Rust
• obsługa wejścia-wyjścia, makra i współbieżność
• obsługa niebezpiecznego kodu

Rust. Programowanie systemowe. Najlepiej zacząć od podstaw!

Wstęp 15

1. Dlaczego Rust? 19

• Bezpieczeństwo typów 21

2. Pierwsze spotkanie z Rustem 25

• Pobranie i instalacja Rusta 25
• Prosta funkcja 28
• Pisanie i uruchamianie testów 29
• Obsługa argumentów wiersza poleceń 30
• Prosty serwer web 34
• Programowanie współbieżne 41
  
  • Czym jest zbiór Mandelbrota? 42
  • Parsowanie argumentów wiersza poleceń 46
  • Odwzorowanie pikseli na liczby zespolone 48
  • Rysowanie zbioru 50
  • Zapis obrazu do pliku 51
  • Program Mandelbrota działający współbieżnie 53
  • Uruchomienie programu 57
  • Przezroczyste bezpieczeństwo 57

3. Typy proste 59

• Typy maszynowe 62
  
  • Typy całkowite 62
  • Typy zmiennoprzecinkowe 65
  • Typ logiczny 67
  • Typ znakowy 67
• Krotki 69
• Typy wskaźnikowe 71
  
  • Referencje 71
  • Pudełka 72
  • Wskaźniki niechronione 72
• Tablice, wektory i podzbiory 72
  
  • Tablice 73
  • Wektory 74
  • Dodawanie pojedynczych elementów do wektora 77
  • Podzbiory 77
• Typ String 79
  
  • Literały łańcuchowe 79
  • Łańcuchy bajtów 80
  • Łańcuchy znaków w pamięci 80
  • Typ String 82
  • Podstawowe cechy typu String 83
  • Inne typy znakowe 83
• Co dalej? 84

4. Reguła własności 85

• Reguła własności 87
• Przeniesienie własności 91
  
  • Więcej operacji związanych z przeniesieniem własności 96
  • Przeniesienie własności a przepływ sterowania 97
  • Przeniesienie własności a struktury indeksowane 98
• Typy kopiowalne 100
• Rc i Arc: własność współdzielona 103

5. Referencje 107

• Referencje jako wartości 111
  
  • Referencje Rusta kontra referencje C++ 111
  • Referencje a operacja przypisania 112
  • Referencje do referencji 112
  • Porównywanie referencji 113
  • Referencje nigdy nie są puste 114
  • Referencje do wyrażeń 114
  • Referencje do podzbiorów i zestawów metod 115
• Bezpieczeństwo referencji 115
  
  • Referencja do zmiennej lokalnej 115
  • Parametry w postaci referencji 118
  • Referencje jako argumenty 120
  • Referencja jako wartość zwracana 121
  • Struktura zawierająca referencje 122
  • Odrębny cykl życia 124
  • Pomijanie parametrów cyklu życia 125
• Referencje współdzielone kontra mutowalne 127
• Walka ze sztormem na morzu obiektów 134

6. Wyrażenia 137

• Język wyrażeń 137
• Bloki kodu i średniki 138
• Deklaracje 140
• if i match 141
  
  • if let 143
• Pętle 144
• Wyrażenie return 146
• Analiza przepływu sterowania 146
• Wywołania funkcji i metod 148
• Pola i elementy 149
• Operatory referencji 150
• Operatory arytmetyczne, bitowe, porównania i logiczne 150
• Przypisanie 151
• Rzutowanie typów 152
• Domknięcia 153
• Priorytety operatorów 153
• Co dalej? 156

7. Obsługa błędów 157

• Błąd panic 157
  
  • Odwinięcie stosu 158
  • Przerywanie procesu 159
• Typ Result 160
  
  • Przechwytywanie błędów 160
  • Alias typu Result 161
  • Wyświetlanie informacji o błędach 162
  • Propagacja błędów 163
  • Jednoczesna obsługa błędów różnych typów 164
  • Błędy, które nie powinny się zdarzyć 166
  • Ignorowanie błędów 167
  • Obsługa błędów w funkcji main() 167
  • Definiowanie własnego typu błędu 168
  • Co daje nam typ Result? 169

8. Paczki i moduły 171

• Paczki 171
  
  • Profile budowania 174
• Moduły 174
  
  • Umieszczanie modułów w oddzielnych plikach 175
  • Ścieżki i importy 177
  • Standardowe preludium 179
  • Podstawowe składniki modułów 179
• Zmiana programu w bibliotekę 181
• Katalog src/bin 183
• Atrybuty 184
• Testy i dokumentacja 186
  
  • Testy integracyjne 188
  • Dokumentacja 189
  • Doc-testy 191
• Definiowanie zależności 193
  
  • Wersje 194
  • Cargo.lock 195
• Publikowanie paczek na stronie crates.io 196
• Obszary robocze 198
• Więcej fajnych rzeczy 199

9. Struktury 201

• Struktury z polami nazywanymi 201
• Struktury z polami numerowanymi 204
• Struktury puste 204
• Reprezentacja struktur w pamięci 205
• Definiowanie metod w bloku impl 206
• Struktury generyczne 209
• Struktury z parametrem cyklu życia 210
• Dziedziczenie standardowych zestawów metod 211
• Zmienność wewnętrzna 212

10. Typy wyliczeniowe i wzorce 217

• Typy wyliczeniowe 218
  
  • Typy wyliczeniowe zawierające dane 220
  • Typ wyliczeniowy w pamięci 221
  • Większe struktury danych stosujące typy wyliczeniowe 222
  • Generyczne typy wyliczeniowe 223
• Wzorce 226
  
  • Literały, zmienne i symbole wieloznaczne 228
  • Wzorce w postaci krotki lub struktury 230
  • Wzorce z referencjami 231
  • Dopasowanie do wielu wartości 233
  • Warunki dodatkowe 234
  • Wzorce @ 235
  • Gdzie używamy wzorców 235
  • Wypełnianie drzewa binarnego 236
• Podsumowanie 238

11. Zestawy metod (interfejsy) i typy generyczne 239

• Stosowanie zestawów metod 241
  
  • Obiekt implementujący zestaw metod 242
  • Struktura obiektu implementującego 243
  • Funkcje generyczne 244
  • Na co się zdecydować? 247
• Definiowanie i implementacja zestawów metod 249
  
  • Metody domyślne 250
  • Implementacja zestawów metod dla istniejących już typów 251
  • Zestaw metod a słowo kluczowe Self 252
  • Rozszerzanie zestawu metod (dziedziczenie) 254
  • Metody statyczne 254
• W pełni kwalifikowana nazwa metody 255
• Zestawy metod definiujące relacje między typami 257
  
  • Typy powiązane 257
  • Generyczny zestaw metod (czyli jak działa przeciążanie operatorów) 260
  • Zaprzyjaźnione zestawy metod (czyli jak działa generator liczb pseudolosowych) 261
• Inżynieria wsteczna ograniczeń 263
• Wnioski 266

12. Przeciążanie operatorów 267

• Operatory arytmetyczne i bitowe 268
  
  • Operatory jednoargumentowe 270
  • Operatory dwuargumentowe 271
  • Operatory przypisania złożonego 272
• Test równości 273
• Porównania szeregujące 276
• Interfejsy Index i IndexMut 278
• Inne operatory 281

13. Interfejsy narzędziowe 283

• Drop 284
• Sized 287
• Clone 289
• Copy 290
• Deref i DerefMut 291
• Default 294
• AsRef i AsMut 296
• Borrow i BorrowMut 297
• From i Into 299
• ToOwned 301
• Borrow i ToOwned w działaniu 302

14. Domknięcia 305

• Przechwytywanie zmiennych 306
  
  • Domknięcia, które pożyczają wartość 307
  • Domknięcia, które przejmują własność 308
• Typy funkcji i domknięć 309
• Domknięcia a wydajność 311
• Domknięcia a bezpieczeństwo 313
  
  • Domknięcia, które zabijają 313
  • FnOnce 314
  • FnMut 315
• Funkcje zwrotne 317
• Skuteczne korzystanie z domknięć 320

15. Iteratory 323

• Iterator i IntoIterator 324
• Tworzenie iteratorów 326
  
  • Metody iter i iter_mut 326
  • Implementacje interfejsu IntoIterator 326
  • Metoda drain 328
  • Inne źródła iteratorów 329
• Adaptery 330
  
  • map i filter 330
  • filter_map i flat_map 333
  • scan 335
  • take i take_while 335
  • skip i skip_while 336
  • peekable 337
  • fuse 338
  • Iteratory obustronne i rev 339
  • inspect 340
  • chain 341
  • enumerate 341
  • zip 342
  • by_ref 342
  • cloned 344
  • cycle 344
• Konsumowanie iteratorów 345
  
  • Proste agregaty: count, sum i product 345
  • max i min 345
  • max_by i min_by 346
  • max_by_key i min_by_key 346
  • Porównywanie sekwencji elementów 347
  • any i all 348
  • position, rposition oraz ExactSizeIterator 348
  • fold 349
  • nth 349
  • last 350
  • find 350
  • Tworzenie kolekcji: collect i FromIterator 350
  • Zestaw metod Extend 352
  • partition 353
• Implementacja własnych iteratorów 354

16. Kolekcje 359

• Przegląd kolekcji 360
• Vec 361
  • Dostęp do elementów 362
  • Iteracja 363
  • Zwiększanie i zmniejszanie wielkości wektora 364
  • Łączenie 367
  • Podział 367
  • Zamiana 369
  • Sortowanie i wyszukiwanie 370
  • Porównywanie podzbiorów 371
  • Elementy losowe 372
  • Reguły zapobiegające konfliktom w czasie iteracji 372
• VecDeque 373
• LinkedList 375
• BinaryHeap 376
• HashMapi BTreeMap 377
  • Entry 380
  • Iterowanie map 381
• HashSeti BTreeSet 382
  • Iteracja zbioru 383
  • Kiedy równe wartości są różne 383
  • Operacje dotyczące całego zbioru 383
• Haszowanie 385
  
  • Niestandardowe algorytmy haszujące 386
• Kolekcje standardowe i co dalej? 387

17. Tekst i łańcuchy znaków 389

• Podstawy Unicode 389
  
  • ASCII, Latin-1 i Unicode 390
  • UTF-8 390
  • Kierunek tekstu 392
• Znaki (typ char) 392
  
  • Klasyfikacja znaków 392
  • Obsługa cyfr 393
  • Zmiana wielkości liter 394
  • Konwersja znaku do i z liczby całkowitej 394
• Typy String i str 395
  
  • Tworzenie łańcuchów znaków 396
  • Prosta inspekcja 396
  • Dołączanie i wstawianie tekstu 397
  • Usuwanie tekstu 398
  • Konwencje nazewnicze dotyczące wyszukiwania i iterowania 399
  • Wyszukiwanie tekstu i wzorce 399
  • Wyszukiwanie i zamiana 400
  • Iterowanie tekstu 401
  • Obcinanie 403
  • Zmiana wielkości liter w łańcuchach 403
  • Konwersja tekstu do wartości innego typu 404
  • Konwersja wartości innego typu do tekstu 404
  • Tworzenie referencji innego typu 405
  • Tekst jako UTF-8 406
  • Tworzenie tekstu na podstawie danych UTF-8 406
  • Alokacja warunkowa 407
  • Łańcuchy znaków jako kolekcje generyczne 409
• Formatowanie wartości 410
  
  • Formatowanie tekstu 411
  • Formatowanie liczb 412
  • Formatowanie innych typów 414
  • Formatowanie wartości z myślą o debugowaniu 415
  • Formatowanie i debugowanie wskaźników 416
  • Wiązanie argumentów za pomocą indeksu i nazwy 416
  • Dynamiczne definiowanie długości i precyzji 417
  • Formatowanie własnych typów 417
  • Użycie języka formatowania we własnym kodzie 419
• Wyrażenia regularne 421
  
  • Podstawowe użycie wyrażeń regularnych 421
  • Wyrażenia regularne w trybie leniwym 422
• Normalizacja 423
  
  • Rodzaje normalizacji 424
  • Biblioteka unicode-normalization 425

18. Operacje wejścia/wyjścia 427

• Obiekty typu reader i writer 428
  
  • Obiekty typu reader 429
  • Buforowany obiekt typu reader 431
  • Przeglądanie tekstu 432
  • Pobieranie tekstu 434
  • Obiekty typu writer 435
  • Pliki 436
  • Wyszukiwanie 437
  • Inne rodzaje obiektów reader i writer 437
  • Dane binarne, kompresja i serializacja 439
• Pliki i katalogi 440
  
  • OsStr i Path 440
  • Metody typów Path i PathBuf 442
  • Funkcje dostępu do systemu plików 443
  • Odczyt zawartości katalogu 444
  • Funkcje bezpośrednio związane z platformą 446
• Obsługa sieci 447

19. Programowanie współbieżne 451

• Podział i łączenie wątków 453
  
  • spawn i join 454
  • Obsługa błędów w różnych wątkach 456
  • Współdzielenie niemutowalnych danych przez różne wątki 457
  • Rayon 459
  • Zbiór Mandelbrota raz jeszcze 461
• Kanały 463
  
  • Wysyłanie wartości 464
  • Odczyt wartości 467
  • Uruchomienie potoku 468
  • Cechy kanałów i ich wydajność 470
  • Bezpieczeństwo wątków: Send i Sync 472
  • Współpraca iteratora i kanału 474
  • Potoki i co dalej? 475
• Stan współdzielony mutowalny 476
  
  • Czym jest muteks? 476
  • Mutex 478
  • mut i Mutex 480
  • Dlaczego Mutex to nie zawsze dobry pomysł? 480
  • Zakleszczenie (deadlock) 481
  • Zatruty muteks 482
  • Kanały z wieloma nadawcami stosujące muteksy 482
  • Blokady odczytu/zapisu (RwLock) 483
  • Zmienne warunkowe (Condvar) 485
  • Typy atomowe 485
  • Zmienne globalne 487
• Rust i pisanie programów wielowątkowych 489

20. Makra 491

• Podstawy 492
  
  • Rozwijanie makra 493
  • Niezamierzone skutki 495
  • Powtórzenia 496
• Makra wbudowane 498
• Debugowanie makr 499
• Makro json! 500
  
  • Typy składników 501
  • Makra a rekurencja 504
  • Makra i zestawy metod 505
  • Zakres i higiena 507
  • Import i eksport makr 509
• Unikanie błędów składniowych w procesie dopasowywania 511
• macro_rules! i co dalej? 512

21. Kod niebezpieczny 513

• Dlaczego niebezpieczny? 514
• Bloki unsafe 515
  
  • Przykład: skuteczny typ łańcucha znaków ASCII 516
• Funkcje unsafe 518
• Kod niebezpieczny czy funkcja niebezpieczna? 520
• Niezdefiniowane zachowanie 521
• Zestawy metod unsafe 523
• Wskaźniki niechronione 525
  
  • Bezpieczne tworzenie dereferencji wskaźników niechronionych 528
  • Przykład: RefWithFlag 529
  • Wskaźniki dopuszczające wartość pustą 531
  • Rozmiary i rozmieszczanie typów 531
  • Operacje arytmetyczne na wskaźnikach 532
  • Wchodzenie do pamięci i wychodzenie z pamięci 534
  • Przykład: GapBuffer 537
  • Bezpieczeństwo błędów paniki w kodzie niebezpiecznym 543
• Funkcje obce: wywoływanie kodu C i C++ w środowisku Rusta 544
  
  • Wyszukiwanie wspólnych reprezentacji danych 544
  • Deklarowanie obcych funkcji i zmiennych 547
  • Korzystanie z funkcji i bibliotek 549
  • Interfejs niechroniony dla biblioteki libgit2 552
  • Interfejs bezpieczny dla biblioteki libgit2 558
• Podsumowanie 568

Skorowidz 569