„Rust ist die Zukunft der Systemprogrammierung, C ist der neue Assembler“ – Vortrag eines der führenden Ingenieure von Intel.

Auf dem kürzlich stattgefundenen Open Source Technology Summit (OSTS) Josh Triplett, leitender Ingenieur bei Intel, erklärte, dass sein Unternehmen daran interessiert ist, dass Rust in naher Zukunft „Parität“ mit der nach wie vor dominierenden Sprache C in der System- und Niedrig-Level-Entwicklung erreicht. In seiner Präsentation mit dem Titel „Intel und Rust: Die Zukunft der Systemprogrammierung“ sprach er zudem über die Geschichte der Systemprogrammierung, darüber, wie C zur Standard-Sprache der Systemprogrammierung wurde, welche Vorteile Rust gegenüber C bietet und wie es in naher Zukunft C in diesem Bereich der Programmierung vollständig ersetzen könnte.

Systemprogrammierung umfasst die Entwicklung und Verwaltung von Software, die als Plattform für die Erstellung von Anwendungsanwendungen dient. Sie gewährleistet die Interaktion dieser Anwendungen mit dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher, den Eingabegeräten und der Netzwerkausstattung. Systemsoftware schafft eine spezielle Abstraktion durch Schnittstellen, die die Erstellung von Anwendungssoftware erleichtern, ohne dass tiefgehende Kenntnisse über die Funktionsweise der Hardware erforderlich sind.

Triplet definiert Systemprogrammierung als "alles, was keine Anwendung ist". Dazu gehören Dinge wie BIOS, Firmware, Bootloader und Betriebssystemkerne, verschiedene Arten von eingebettetem Low-Level-Code sowie Implementierungen virtueller Maschinen. Interessanterweise betrachtet Triplet auch Webbrowser als Systemsoftware, da der Browser längst mehr ist als "nur ein Programm" und sich zu einer eigenständigen "Plattform für Websites und Webanwendungen" entwickelt hat.

In der Vergangenheit wurden die meisten Systemprogramme, einschließlich BIOS, Bootloader und Firmware, in Assemblersprache geschrieben. In den 1960er Jahren begannen Experimente zur Bereitstellung hardwarebasierter Unterstützung für Hochsprachen, was zur Entwicklung von Sprachen wie PL/S, BLISS, BCPL und ALGOL 68 führte.

In den 1970er Jahren entwickelte Dennis Ritchie die Programmiersprache C für das Betriebssystem Unix. C, das auf der Programmiersprache B basierte, die noch nicht einmal Typunterstützung hatte, war mit leistungsstarken hochgradigen Funktionen ausgestattet, die sich besonders gut für das Schreiben von Betriebssystemen und Treibern eigneten. Mehrere Komponenten von UNIX, einschließlich des Kerns, wurden letztendlich in C neu geschrieben. Auch viele andere Systemprogramme, darunter die Oracle-Datenbank, der Großteil des Quellcodes von Windows und das Betriebssystem Linux, wurden ebenfalls in C entwickelt.

C erhielt in diesem Bereich erhebliche Unterstützung. Aber was hat die Entwickler dazu gebracht, zu wechseln? Triplet erklärt, dass eine Programmiersprache, um Entwickler zu motivieren, von einer Sprache auf eine andere zu wechseln, zunächst neue Funktionen bieten muss, ohne dabei die alten Möglichkeiten zu verlieren.

Erstens muss die Sprache "ausreichend beeindruckende" neue Funktionen bieten. "Sie kann nicht nur etwas besser sein. Sie muss erheblich besser sein, um den Aufwand und die Zeit der Ingenieure zu rechtfertigen, die für den Wechsel erforderlich sind", erklärt er. Im Vergleich zur Assemblersprache bot C viele Vorteile: Es unterstützte teilweise sichere Typisierung, bot bessere Portabilität und Leistung mit hochgradigen Konstruktionen und erzeugte insgesamt viel lesbareren Code.

Zweitens muss die Sprache die Unterstützung für ältere Funktionen gewährleisten, was bedeutet, dass die Entwickler beim Übergang zu C sicherstellen mussten, dass sie nicht weniger funktional ist als die Assemblersprache. Triplett erklärt: „Eine neue Sprache kann nicht nur besser sein, sie darf auch nicht schlechter sein.“ Abgesehen davon, dass C schneller war und alle Datentypen unterstützte, die in der Assemblersprache verwendet werden konnten, hatte es auch das, was Triplett als „Notausstieg“ bezeichnete, nämlich die Möglichkeit, innerhalb von C Assembler-Code einzufügen.

Triplett ist der Meinung, dass C jetzt das wird, was die Assemblersprache vor vielen Jahren war. „C ist der neue Assembler“, erklärt er. Jetzt suchen die Entwickler nach einer neuen Hochsprache, die nicht nur die in C angesammelten Probleme lösen soll, deren Behebung bereits unmöglich ist, sondern auch neue beeindruckende Funktionen bietet. Eine solche Sprache muss überzeugend genug sein, um die Entwickler zu einem Wechsel zu bewegen, sicher sein, automatisches Speichermanagement bieten und vieles mehr.

„Jede Programmiersprache, die besser sein möchte als C, muss wesentlich mehr bieten als nur Schutz vor Pufferüberläufen, wenn sie wirklich eine überzeugende Alternative werden will. Entwickler legen Wert auf Benutzerfreundlichkeit und Leistung, darauf, Code zu schreiben, der selbsterklärend ist und mehr Arbeit mit weniger Zeilen erledigt. Sicherheitsprobleme müssen ebenfalls angegangen werden. Benutzerfreundlichkeit und Leistung sind untrennbar miteinander verbunden. Je weniger Code Sie zum Erreichen eines Ziels schreiben müssen, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, Sicherheitsfehler zu machen“, erklärt Triplett.

Vergleich von Rust und C

Bereits 2006 begann Graydon Hoare, ein Mitarbeiter von Mozilla, Rust als persönliches Projekt zu entwickeln. 2009 begann Mozilla, die Entwicklung von Rust für eigene Zwecke zu sponsern und erweiterte das Team, um die Sprache weiterzuentwickeln.

Ein Grund, warum Mozilla sich für die neue Programmiersprache interessiert, ist, dass Firefox aus mehr als 4 Millionen Zeilen C++-Code besteht und zahlreiche kritische Sicherheitsanfälligkeiten aufwies. Rust wurde mit Blick auf Sicherheit und Parallelität entwickelt, was es zur idealen Wahl macht, um viele Komponenten von Firefox im Rahmen des Quantum-Projekts zur vollständigen Überarbeitung der Browserarchitektur neu zu implementieren. Zudem nutzt Mozilla Rust zur Entwicklung von Servo, einer HTML-Rendering-Engine, die in Zukunft die bestehende Rendering-Engine von Firefox ablösen wird. Viele andere Unternehmen haben ebenfalls begonnen, Rust für ihre Projekte einzusetzen, darunter Microsoft, Google, Facebook, Amazon, Dropbox, Fastly, Chef, Baidu und viele mehr.

Rust löst eines der bedeutendsten Probleme der Programmiersprache C. Es bietet automatisches Speichermanagement, sodass Entwickler nicht manuell für jedes Objekt in der Anwendung Speicher zuweisen und diesen anschließend wieder freigeben müssen. Was Rust von anderen modernen Sprachen unterscheidet, ist, dass es keinen Garbage Collector gibt, der ungenutzte Objekte automatisch aus dem Speicher entfernt, sowie keine Laufzeitumgebung, die für seine Ausführung erforderlich ist, wie z.B. die Java Runtime Environment für Java. Stattdessen hat Rust Konzepte wie Besitz, Ausleihe, Referenzen und Lebenszeiten. "In Rust gibt es ein System zur Deklaration von Objektaufrufen, das angibt, ob es sich um den Besitzer oder nur um eine Ausleihe handelt. Wenn Sie nur ein Objekt ausleihen, wird der Compiler dies überwachen und sicherstellen, dass das Original an seinem Platz bleibt, solange Sie darauf verweisen. Zudem wird Rust dafür sorgen, dass das Objekt sofort aus dem Speicher entfernt wird, sobald es nicht mehr verwendet wird, indem es den entsprechenden Aufruf während der Kompilierung in den Code einfügt, ohne zusätzliche Zeitkosten", erklärt Triplett.

Das Fehlen einer eigenen Laufzeitumgebung kann ebenfalls als Vorteil von Rust betrachtet werden. Triplet ist der Meinung, dass Sprachen, die durch sie ausgeführt werden, als Werkzeuge für die Systemprogrammierung schwer zu verwenden sind. Er erklärt: „Sie müssen diese Laufzeitumgebung initialisieren, bevor Sie jeden Code aufrufen können. Sie müssen diese Laufzeitumgebung verwenden, um Funktionen aufzurufen, und selbst die Laufzeitumgebung kann zu unerwarteten Zeiten zusätzlichen Code im Hintergrund ausführen.“

Rust zielt auch darauf ab, sicheres paralleles Programmieren zu gewährleisten. Die gleichen Funktionen, die es speichersicher machen, verfolgen Dinge wie zu welchem Thread welches Objekt gehört und welche Objekte zwischen Threads übertragen werden können, während andere blockiert werden müssen.

All diese Funktionen machen Rust zu einer überzeugenden Wahl, sodass Entwickler ihn als neues Werkzeug für die Systemprogrammierung wählen können. Aus der Perspektive der parallelen Berechnungen hinkt Rust jedoch noch etwas hinter C hinterher.

Triplet plant eine spezielle Arbeitsgruppe, die sich mit der Implementierung der benötigten Funktionen in Rust beschäftigen wird, damit es mit C im Bereich der Systemprogrammierung vollständig gleichziehen, es übertreffen und ersetzen kann. In einem Reddit-Thread, der sich seinem Vortrag widmet, teilte er mit, dass "die FFI/C Parity-Gruppe in der Entstehung ist und noch nicht mit der Arbeit begonnen hat". Er ist bereit, alle Fragen zu beantworten und wird in Zukunft sicher die nächsten Schritte zur Weiterentwicklung von Rust im Rahmen seiner Initiative für alle Interessierten veröffentlichen.

Es kann davon ausgegangen werden, dass sich die FFI/C Parity-Gruppe zunächst auf die Verbesserung der Unterstützung für Multithreading in Rust, die Implementierung der Unterstützung für BFLOAT16 – ein Format für die Darstellung von Fließkommazahlen, das in den neuen Intel Xeon Scalable-Prozessoren eingeführt wurde – sowie die Stabilisierung der Einbettung von Assembly-Code konzentrieren wird.

Quelle: 3dnews.ru