陈天老师的Rust培训(1)学习笔记

https://tyrchen.github.io/rust-training/

 

 

 

 

 

 

 

跟C互操作时，加上上面图片的宏，rust会根据你的各个域的内存的占用自动去调整内存中的位置，让你的内存占用是最优的，而且rust在生成数据结构的结构的时候，它会做一些padding，然后这些padding是为了具有更好的performance，但是这样就会对结构体做一些顺序上的调整，以及加一些padding.

函数的话，如果你看rust生成的assembly code的话，所有的函数都被转换为一个奇奇怪怪的名字，所以在rust里面，如果想跟C互操作的话，对于函数需要加上#[no_mangle]，不要去做函数的混淆，data struct 需要做一个repr(C)

 

 

 

使用unsafe还有个好处就是，当你的代码有内存泄露或者有concurrency issue的时候，你马上就知道从哪里去着手，去看问题的所在。相对于C、C++的项目出现这样一个问题，可能是大海捞针，得到处去找问题的根源，而这个问题的根源在大型C、C++项目里面是非常难找的。

有了unsafe之后，如果出现上述问题，肯定就是unsafe代码里面。

 

 

函数A call 函数B ，会给函数B生成一个新的frame,然后把一些信息填进去，比说函数A的return Address放进去，然后把这些栈帧都保留进去，然后给函数B传的参数push进去，因为编译器在编译期就知道函数B都用了哪些局部变量，这些局部变量的大小是什么，然后为这些局部变量reserve好这个栈。

一个frame一个frame去压栈。最后return的时候，一个frame一个frame的返回。

 

 

 

 

 

 

上图是单线程里面。总是可以的

但是如果是多线程，如下，就可能有问题了

 T1 call一个函数，这个函数生成一个新的thread，然后这个thread把ptr move到新的thread下面。当这种情况发生的时候，compiler就没办法区别了。lifetime没有单线程的那么清晰，因为T1随时可能会结束，T1结束的时候，那么T2里面的ptr指向T1之前的那个有效内存，这个时候栈已经走了，栈走了再引用栈上的数据是非常危险的，因为已经不知道数据时什么样子的了。

 

Sync是把reference在多个线程之间传递，Send是支持值在多个线程间传递，然后它还加了个'static, 'static是 lifetime bound，也就是说这个F闭包里面不能使用任何借用的数据，只能使用你own的数据。

回到上上上个图，inser(&user)这是借用一个数据，上上个图T1把ptr move到T2 ，但是这是一个引用，不是一个own的data,收益在上图spawn的signature下面，编译器是不会让你编译通过的 ，所以就规避了有问题引用的发生。

 

Rust可以借用栈和堆上的内存，这比其他很多语言要灵活，在写C的时候，一个大忌就是不能引用栈上的内存，引来引去之后就会出错，但rust用了一套很清晰的规则，然后让你可以很安全的借用栈上的内存，借用栈上的内存效率是非常高的，栈上的内存分配和释放都是非常高效的、

但是正因为很多语言没有设置这些限制，就导致最终不得退而求其次去借用堆上的内存，比如java你去引用 只能引用堆上的内存。

 

pub fn strtok(s: &mut &str, pattern: char) -> &str {
    match s.find(pattern) {
        Some(i) => {
            let prefix = &s[..i];
            let suffix = &s[i + pattern.len_utf8()..];
            *s = suffix;
            prefix
        }
        None => {
            let prefix = *s;
            *s = "";
            prefix
        }
    }
}

 

pub fn strtok<'a>(s: &'a mut &str, pattern: char) -> &'a str {
    match s.find(pattern) {
        Some(i) => {
            let prefix = &s[..i];
            let suffix = &s[i + pattern.len_utf8()..];
            *s = suffix;
            prefix
        }
        None => {
            let prefix = *s;
            *s = "";
            prefix
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn it_works() {
        let mut s = "hello world";
        assert_eq!(s.find(' '), Some(5));
        // let mut s1 = &mut s;这里不是mut本身，而是mut s1指向的str，所以不需要mut
        let s1 = &mut s;
        let t = strtok(s1, ' ');
        assert_eq!(t, "hello");
        assert_eq!(*s1, "world");
        assert_eq!(s, "world");
    }
}

 

bss section

data secton

text section 就是我们常说的代码段

闭包不一定是static lifetime的

string literals是会被编译到binary里面的string section

编译好，之后内存地址固定。

 

 ticket.rs

 

 

传值的时候一定是在新生成的栈里面把你要传的数据拷过去，任何语言都是这么去做的。

很多时候传值并不是最大的性能杀手，最大的性能杀手其实是堆上的性能分配，因为往往你在堆上分配内存，你需要往里面拷贝东西，回头你还得释放这块内存，这里就比单纯栈上拷贝花费的更大，而堆上内存的分配，往往又涉及到调用这个操作系统的malloc。

内存布局

 Rust Language Cheat Sheet

 

call 这个代码的时候(let writer:&mut dyn Write = &mut buf;)，rust会自动生成trait object，

结构就是

 

ptr本身指向原来的vec，然后vec自己的ptr/cap/len是分配在栈上的， 具体的数据是ptr指向的heap上的数据。

meta可以理解为vptr，指向vtable,一个virtual table，因为当我生成一个trait object 的时候，原有的type就被抹掉了，再次使用writer的时候，并不知道writer原来的type是什么。原来它的type是个vec,但是在变成一个trait object的时候，已经没有这个信息了，然后我有的信息就是它实现了write这个trait，所以它有所有的trait method，另外，所有datastructure应该都有实现的drop trait，另外还有size alignment等其他信息。

trait object的好处它是一个在runtime生成的这么一个类型，这个类型不存具体的数据结构，那就使得我们很方便的进行动态的分发。

pub trait Formatter {
    fn format(&self, input: &mut str) -> bool;
}

struct MarkdownFormatter;

impl Formatter for MarkdownFormatter {
    fn format(&self, input: &mut str) -> bool {
        todo!()
    }
}

struct RustFormatter;

impl Formatter for RustFormatter {
    fn format(&self, input: &mut str) -> bool {
        todo!()
    }
}

struct HtmlFormatter;

impl Formatter for HtmlFormatter {
    fn format(&self, input: &mut str) -> bool {
        todo!()
    }
}

pub fn format(input: &mut str, formatters: Vec>) {
    for formatter in formatters {
        formatter.format(input);
    }
}

上述代码，为什么Vec里面直接包含上述几种类型呢？我们知道在rust下面，一个vec里面包含的数据都是同一种类型，没有任何一种datastructure是Iterable的，它里面的数据类型又是不一样的，唯有把它转成trait object，然后所有类型都统一了，然后就可以去使用，这是rust的动态分发。

 上述代码，为什么Vec里面直接包含上述几种类型呢？我们知道在rust下面，一个vec里面包含的数据都是同一种类型，没有任何一种datastructure是Iterable的，它里面的数据类型又是不一样的，唯有把它转成trait object，然后所有类型都统一了，然后就可以去使用，这是rust的动态分发。

 

 

 

use anyhow::Result;

pub trait Encoder {
    fn encode(&self) -> Result>;
}

pub struct Event {
    id: Id,
    data: Data,
}

impl Event
where
    Id: Encoder,
    Data: Encoder,
{
    pub fn new(id: Id, data: Data) -> Self {
        Self { id, data }
    }
    pub fn do_encode(&self) -> Result> {
        let mut result = self.id.encode()?;
        result.append(&mut self.data.encode()?);
        Ok(result)
    }
}

impl Encoder for u64 {
    fn encode(&self) -> Result> {
        Ok(vec![1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]) //测试使用
    }
}

impl Encoder for String {
    fn encode(&self) -> Result> {
        Ok(self.as_bytes().to_vec())
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn it_works() {
        let event = Event::new(1, "hello world".to_string());
        let _vec = event.do_encode().unwrap();
    }
}

rust在实现泛型的时候跟C++很类似，它会为每种使用到的类型都生成一个版本，这也是rust在编译代码的时候比较慢，

let event = Event::new(1, "hello world".to_string());
let _vec = event.do_encode().unwrap();

let event = Event::new("hello world2".to_string(), "hello world".to_string());
let _vec = event.do_encode().unwrap();

上述代码Event就会被编译成两个版本，它的所有函数也会被编程两个版本，来处理不同的类型。这就是支持泛型的语言，一般编译都比较慢，这也是为什么go迟迟不愿意加入泛型，又不影响它引以为豪的编译速度。一旦引入泛型，编译的速度一定会打折扣，这种你生成多个版本，还有一个潜在问题就是，你在release你的binary的时候，你的binary很多被当作一个商业的版本去用，因为一旦编译好，这个组件所有的泛型里面用到的具体的类型会被编译出来，泛型本身不会存在编译的binary里面。所以这东西提交给另外一个公司，公司依赖着你的binary去做coding，它是非常受限的。

到目前为止，像rust，如果要引入别人的库 ，只能通过源码来引入，你使用了泛型的，如果你不用源码的话，基本上是没办法用的。

但是swift就才用了不同的方式，生成一个xxtable。具体的可以自己查看下。

 

 

 

 上图，把store shared成N份，这样锁的粒度变小

 上图是golang推崇的

 

上图 async task适用于IO 密集的任务，所以socket处理数据的收发，适合async task

但是你对内存上面的这个data用async data 没多大意义。

 

 

 

 

 

 

 

 

 上图是因为compare_exchange开销非常大，可能设计到硬件，可能还要锁总线。所以我们做一次之后，发现它返回error,我们不要一直在这句话循环，我们尝试去load这个lock。因为不需要做swap的操作，只是看当前的状态是不是等于true,如果是true，就可以先把thread 挂起，如果等于false，再回到compare_exchange去循环，这样效率会更高的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 它是有一个很轻量的用户态的线程，它有很小的stack,然后在用户态run一堆的scheduler

 

 

 

 

 rust的设置应该受到了JavaScript上面设计的影响，引入状态机。所有语言的sync await 大概类似上面的东西，就是当你把一个异步的操作，在写代码的时候，你的感知是一个同步的操作，才用的方式就是，把这些东西转换成一个个状态机，去处理状态机的变化。

 

rust的处理是非常优美的async实现，预计未来其他的语言，尤其是新生代的语言，肯定是靠近rust这种实现方法。

从语法的层面就是async和await

从数据类型层面它是有Future,Poll,Waker

首先看 async function ，用async来修饰一个正常的function,这是一个语法糖，它内部实际上是一个返回值为impl Future的方法，这里是u8

 

 

一般自引用的类型通过pin来保证结构的类型安全。

poll里面有两个：

1、self: rust的async/await也是在pin这东西标准化后，也就是找到这么个解决办法后，async、await最终才标准化。

2、还有一个就是context,可以认为context里面含有一个waker，这个waker知道是如何把这个future再度唤醒。

然后基本的逻辑就是，这个poll function，rust future是需要不断的poll的，每次call这个poll function，要么取得进展，要么就结束了 这个future就退出了，要么future就处在这个pending的状态，它就返回，被返回到队列里面，等待下次被唤醒又继续能执行。

一个async的function，它的内部其实是有一套复杂的状态机来处理的，基本上每一个await代码的使用，你都可以认为生成一个新的状态

 

上图红色框，这个enum是非常节省内存的，不管多少个状态，这个enum的大小就是里面最大的那个。

ps：上图左边，是陈天老师，自己为了方便我们简单理解画的。

 

如上图，一开始的state是init状态，之后很快就切换到AwaitingStep1,当在这个状态的时候，它会去call step1这个future的poll,在poll里面，要么是ready，ready的话就可以把状态机切到AwaitngStep2,如果是pendding的话，就return,然后上图的整个future就先挂起，然后等待下次被唤醒，后面依次循环上述步骤，直到最后做完所有，就return ready

这个虽然内部生成的代码非常冗长，但是这个很冗长的代码，它的效率是非常高的，就是至少你手写的优化过的代码效率不会比这个高 这就是所谓的零成本，如果不用就不会生成，没有额外的cost，使用的话，生成的代码效率也是非常高。

rust的future是怎么run的呢？

分成了reactor和executor,reactor负责把这个future唤醒，executor负责具体执行这个future。

比如说socket，你有一个socket receive 的future，

现在有新的数据来了，

receiver就拿到了，

kernel就通知你这个data好了，

那reactor就把对应的future唤醒，

然后添加到run queue里面。

然后executor就从run queue里面pull出来，然后执行，要么执行完成，这个future就丢弃了，要么是pending，那么这个future就等待下一次被唤醒。

 tokio 使用的是work stealing scheduler，它在每个core都有一个scheduler，如果自己的local的run queue没东西了，它就会去别的地方偷，跟golang erlang的方式大同小异，