“Rust 思維下的 C++ 編程”：在 C++ 中，如何應用 Rust 中的概念？

C語言與CPP編程

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)自公眾號CSDN（ID：CSDNnews）
整理 | 鄭麗媛

【編者按】自從美國白宮對開發(fā)者呼吁，“停止使用 C 和 C++，改用 Rust 等內(nèi)存安全編程語言”后，兩方之間從未停止的爭論就被推到了一個新高度。而在這之中，也有部分 C++ 開發(fā)者提議：或許 Rust 中的一些概念，可以試著運用到 C++ 編程中？
近日，一位開發(fā)者（ID：delta242）在 Reddit 上發(fā)了一篇長文《在 C++ 中應用 Rust 的概念》，里面提到了一些可用于改善 C++ 代碼的 Rust 概念，引來了諸多關注和討論。
根據(jù)他在開篇的介紹，“雖然我不是 Rust 專家，但我很喜歡這門語言的許多概念。在日常編程中，我主要用 C++，而現(xiàn)在我經(jīng)常會運用一些 Rust 的概念來改善我的 C++ 代碼”，可以看出，下面是他親身實踐過的、可用于優(yōu)化 C++ 代碼的 Rust 概念。

1、在 C++ 中，如何應用 Rust 的概念？
（以下為他的長文翻譯：）
（1）帶值的枚舉
我很喜歡 Rust 的枚舉，因為你可以給枚舉常量賦值（例如，Option 枚舉中有一個沒有值的 None 和一個有值的 Some）。在類型理論中，這通常被稱為代數(shù)數(shù)據(jù)類型，而在 C++ 中，我們有 variants，可以定義輔助結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)類似的功能：

struct Some { T value; };struct None { };using Optional = std::variant;(注：這個例子可能有點蠢，因為 std::optional 要好得多。但對于更復雜的類型來說，這具有一定參考意義。）
（2）CRTP 和 Traits
在 Rust 中，Traits 用于定義類型的共享功能。而在 C++ 中，我們可以用 CRTP 在編譯時強制類實現(xiàn)特定的函數(shù)來實現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)性。CRTP 還允許在基類中實現(xiàn)默認功能，我以前曾用這種方法來定義迭代器類型，只要基類實現(xiàn)了 operator[]，就可以減少大量模板代碼的編寫。
（3）字符串格式化
在 C++ 中，如果向 std::format 傳遞的參數(shù)數(shù)量多于格式字符串中的占位符，并不會導致編譯時錯誤。我曾經(jīng)遇到過這樣的 bug，例如由于缺少占位符，日志消息中缺少了某些信息，導致與代碼中不一致。
而這個情況如果放在 Rust 中，就會產(chǎn)生編譯時錯誤。所以這對于 C++ 來說，將是一個簡單而實用的改進，有助于提高代碼質(zhì)量和開發(fā)效率。
（4）擁有 Mutex
在 Rust 中，Mutex 類型擁有受保護的值。我非常喜歡這個概念，這樣不獲取 Mutex 就無法訪問受保護的值（這在 C++ 中經(jīng)常發(fā)生）。有一個簡單的技巧來實現(xiàn)類似效果，那就是在 C++ 中寫一個具有 lock 函數(shù)的封裝 Mutex 類，該函數(shù)將接受一個帶有對受保護值的引用的 lambda 表達式作為參數(shù)。由于 Rust 中有借用檢查器，這樣的操作總是安全的，而在 C++ 中，誤用很容易再次導致競爭條件，但至少通過這樣的封裝器，這種情況就不那么容易發(fā)生了。
（5）內(nèi)部可變性
Rust 在安全的情況下會使用內(nèi)部可變性（即使變量是 const），例如當一個值受 Mutex 保護時。在 C++ 中，我們也可以采用類似的想法，例如“const 表示線程安全”。
（6）IIFE
在 Rust 中，每個作用域都是一個表達式，這樣可以很好地將變量限制在更小的作用域中。而在 C++ 中，我們可以用 lamdas 表達式來使用立即調(diào)用的函數(shù)表達式（IIFE）來達到同樣的效果：

auto value = [] {  // Complex initializer  return result;}(); // notice the invocation以上，就是我現(xiàn)在能想到的。

2、“Rust 讓我成為了一名更好的 C++ 開發(fā)者”
在這篇長文下，不少開發(fā)者也分享了自己在 C++ 編程中借鑒 Rust 概念的心得，甚至直言“Rust 讓我成為了一名更好的 C++ 開發(fā)者”。
（1）“最近，我養(yǎng)成了在 C++ 中使用“match”宏的這個習慣，我很喜歡�！�

template struct overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; };
template auto match(Val val, Ts... ts) {    return std::visit(overloaded{ts...}, val);}（2）“重載非常好，我覺得它可以成為 STL 的一部分。此外，有了 C++20 模板化的 lambdas，還可以編寫一些非�；ㄉ诘拇�碼�！�

visit(  overloaded {    [] T>(T value) {}    [](auto other) {}  }, value)對此，一位開發(fā)者感慨：“這正是我希望看到的，雖然我不喜歡 Rust，但它確實有一些 C++ 可以借鑒的做法，更安全總歸是好的�！�

3、在 C++ 中應用 Rust 概念的一些失敗案例
不過與此同時，也有開發(fā)者提醒“必須小心”：以 Rust 的 Mutex 為例，當你訪問 Mutex 中的數(shù)據(jù)時，不可能將該指針存儲下來，然后在解鎖 Mutex 后再訪問數(shù)據(jù)（忽略特殊情況）。你可以在 C++ 中實現(xiàn)一個擁有 Mutex 的類，但編譯器不會在意你是否在鎖的作用域之外持有一個指向受保護數(shù)據(jù)的指針，并在未受保護的情況下訪問它。
針對這個話題，開源搜索引擎 Meilisearch 的高級工程師 Louis Dureuil 曾寫過一篇相關文章《這對 C++ 來說太危險了》：“一些設計模式之所以實用，歸功于 Rust 的內(nèi)存安全性，而在 C++ 中使用則過于危險�！�
在文中，Louis Dureuil 分享了他在 C++ 中應用 Rust 概念的失敗案例。
當時，他正在用 Rust 編寫一個內(nèi)部庫，其中有一個他希望能克隆、而不會復制其中數(shù)據(jù)的錯誤類型。在 Rust 中，這需要使用引用計數(shù)指針，比如 Rc。他編寫了一個錯誤類型，將其用作可能發(fā)生錯誤的函數(shù)的錯誤變體，繼續(xù)了他的工作。

struct Error {    data: Rc,}
pub type Response = Result;
fn parse(input: Input) -> Response {    todo!()}后來他發(fā)現(xiàn)，對某些輸入進行解析需要很長時間，于是決定通過通道將輸入發(fā)送到另一個線程，并通過另一個通道獲取響應，這樣長時間的解析就不會阻塞主線程。

enum Command {    Input(Input),    Exit,}
pub enum RequestStatus {    Completed(Response),    Running,}
pub struct Parser {    command_sender: Sender,    response_receiver: Receiver,    cached_result: HashMap[I],}
impl Parser {    pub fn new() -> Self {        let (command_sender, command_receiver) = channel::();        let (response_sender, response_receiver) = channel::();
        std::thread::spawn(move || loop {            match command_receiver.recv() {                Ok(Command::Input(input)) => {                    let response = parse(input);                    let _ = response_sender.send((input, response));                }                Ok(Command::Exit) => break,                Err(_) => break,            }        });
        Self {            command_sender,            response_receiver,            cached_result: HashMap::default(),        }    }
    pub fn request_parsing(&mut self, input: Input) -> RequestStatus {        // pump previously received responses        while let Ok((input, response)) = self.response.receiver.try_recv() {            self.cached_result                .insert(input, RequestStatus::Completed(response));        }
        let response = match self.cached_result.entry(input) {            Entry::Vacant(entry) => {                self.command_sender                    .send(Command::Input(entry.key()))                    .unwrap();                entry.insert(RequestStatus::Running)            }            Entry::Occupied(entry) => entry.into_mut(),        };        response.clone()    }}然而，在進行這一更改時，Louis Dureuil 收到了以下錯誤信息：

error[E0277]: `Rc` cannot be sent between threads safely   --> src/main.rs:58:32    |58  |               std::thread::spawn(move || loop {    |  _____________------------------_^    | |             |    | |             required by a bound introduced by this call59  | |                 match command_receiver.recv() {60  | |                     Ok(Command::Input(input)) => {61  | |                         let response = maybe_make(input);...   |68  | |                 }69  | |             });    | |_____________^ `Rc` cannot be sent between threads safely    |    = help: within `(&'static str, Result)`, the trait `Send` is not implemented for `Rc`note: required because it appears within the type `Error`   --> src/main.rs:17:16    |17  |     pub struct Error {    |                ^^^^^note: required because it appears within the type `Result`   --> /home/dureuill/.rustup/toolchains/stable-x86_64-unknown-linux-gnu/lib/rustlib/src/rust/library/core/src/result.rs:502:10    |502 | pub enum Result {    |          ^^^^^^    = note: required because it appears within the type `(&str, Result)`    = note: required for `Sender)>` to implement `Send`note: required because it's used within this closure   --> src/main.rs:58:32    |58  |             std::thread::spawn(move || loop {    |                                ^^^^^^^note: required by a bound in `spawn`   --> /home/dureuill/.rustup/toolchains/stable-x86_64-unknown-linux-gnu/lib/rustlib/src/rust/library/std/src/thread/mod.rs:683:8    |680 | pub fn spawn(f: F) -> JoinHandle    |        ----- required by a bound in this function...683 |     F: Send + 'static,    |        ^^^^ required by this bound in `spawn`正如編譯器所解釋的那樣，這是因為 Rc 類型不支持在線程之間發(fā)送，因為這樣會導致數(shù)據(jù)競爭。實際上，Rc 中的引用計數(shù)并不以原子方式進行操作，而是使用常規(guī)的整數(shù)操作。
為了實現(xiàn)線程安全的引用計數(shù)，Rust 提供了另一種類型 Arc，它使用原子引用計數(shù)，而將代碼修改為使用 Arc 非常簡單：

diff --git a/src/main.rs b/src/main.rsindex 04ec0d0..fd4b447 100644--- a/src/main.rs+++ b/src/main.rs@@ -3,9 +3,9 @@ use std::{io::Write, time::Duration}; mod parse {     use std::{         collections::{hash_map::Entry, HashMap},-        rc::Rc,         sync::{             mpsc::{channel, Receiver, Sender},+            Arc,         },         time::Duration,     };@@ -15,13 +15,13 @@ mod parse {
     #[derive(Clone, Debug)]     pub struct Error {-        data: Rc,+        data: Arc,     }
     impl Error {         fn new(data: ExpensiveToCloneDirectly) -> Self {             Self {-                data: Rc::new(data),+                data: Arc::new(data),             }         }     }也就是說，只要不需要引用原子操作的計數(shù)，就可以使用 Rc。但當需要線程安全時，編譯器會強制 Louis Dureuil 切換到 Arc，并帶來了原子引用計數(shù)的開銷。
Louis Dureuil 指出，這個原則也深受 C++ 開發(fā)者的喜愛。但與 Rust 完全不同的是，在 C++ 中，標準庫中只有帶有原子引用計數(shù)的 shared_ptr，它相當于 Arc，而不是 Rc——所以，即使你不使用原子操作，也仍要為原子引用計數(shù)付出代價。
最后，一句話總結(jié)：在 C++ 中適當應用 Rust 概念固然不錯，但切記不要根據(jù)在 Rust 中會發(fā)生的情況，對 C++ 也做出相同的假設。
參考鏈接：
https://www.reddit.com/r/cpp/comments/1bx7wjm/applying_concepts_from_rust_in_c/
https://blog.dureuill.net/articles/too-dangerous-cpp/
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