برنامه‌نویسی راست: ایمنی حافظه بدون جمع‌آوری زباله

در دنیای برنامه‌نویسی سیستمی، دستیابی به ایمنی حافظه از اهمیت بالایی برخوردار است. به‌طور سنتی، زبان‌ها برای مدیریت خودکار حافظه و جلوگیری از مسائلی مانند نشت حافظه و اشاره‌گرهای آویزان (dangling pointers)، به جمع‌آوری زباله (GC) متکی بوده‌اند. با این حال، GC می‌تواند سربار عملکرد و عدم پیش‌بینی‌پذیری را به همراه داشته باشد. راست، یک زبان برنامه‌نویسی سیستمی مدرن، رویکرد متفاوتی را در پیش می‌گیرد: این زبان ایمنی حافظه را بدون جمع‌آوری زباله تضمین می‌کند. این امر از طریق سیستم نوآورانه مالکیت و امانت‌گیری آن حاصل می‌شود، مفهومی اصلی که راست را از سایر زبان‌ها متمایز می‌کند.

مشکلات مدیریت دستی حافظه و جمع‌آوری زباله

پیش از ورود به راه‌حل راست، اجازه دهید مشکلات مرتبط با رویکردهای سنتی مدیریت حافظه را درک کنیم.

مدیریت دستی حافظه (C/C++)

زبان‌هایی مانند C و C++ مدیریت دستی حافظه را ارائه می‌دهند و کنترل دقیق تخصیص و آزادسازی حافظه را در اختیار توسعه‌دهندگان قرار می‌دهند. اگرچه این کنترل در برخی موارد می‌تواند منجر به عملکرد بهینه شود، اما خطرات قابل توجهی را نیز به همراه دارد:

• نشت حافظه: فراموش کردن آزادسازی حافظه پس از اینکه دیگر مورد نیاز نیست، منجر به نشت حافظه می‌شود که به‌تدریج حافظه موجود را مصرف کرده و به‌طور بالقوه برنامه را از کار می‌اندازد.
• اشاره‌گرهای آویزان: استفاده از یک اشاره‌گر پس از اینکه حافظه مورد اشاره آن آزاد شده است، منجر به رفتار نامشخص (undefined behavior) می‌شود که اغلب به از کار افتادن یا آسیب‌پذیری‌های امنیتی منجر می‌گردد.
• آزاد کردن دوبار: تلاش برای آزاد کردن یک حافظه دوبار، سیستم مدیریت حافظه را خراب کرده و می‌تواند منجر به از کار افتادن یا آسیب‌پذیری‌های امنیتی شود.

رفع اشکال این مسائل، به ویژه در پایگاه‌های کد بزرگ و پیچیده، به طور مشهوری دشوار است. آن‌ها می‌توانند منجر به رفتار غیرقابل پیش‌بینی و سوءاستفاده‌های امنیتی شوند.

جمع‌آوری زباله (جاوا، گو، پایتون)

زبان‌های دارای جمع‌آوری زباله مانند جاوا، گو و پایتون مدیریت حافظه را خودکار می‌کنند و توسعه‌دهندگان را از بار تخصیص و آزادسازی دستی رها می‌سازند. اگرچه این امر توسعه را ساده کرده و بسیاری از خطاهای مرتبط با حافظه را از بین می‌برد، اما GC چالش‌های خاص خود را دارد:

• سربار عملکرد: جمع‌آوری‌کننده زباله به‌طور دوره‌ای حافظه را برای شناسایی و بازپس‌گیری اشیاء استفاده‌نشده اسکن می‌کند. این فرآیند چرخه‌های CPU را مصرف کرده و می‌تواند سربار عملکردی، به ویژه در برنامه‌های حساس به عملکرد، ایجاد کند.
• مکث‌های غیرقابل پیش‌بینی: جمع‌آوری زباله می‌تواند باعث مکث‌های غیرقابل پیش‌بینی در اجرای برنامه شود که به آن‌ها مکث‌های "توقف جهان" (stop-the-world) گفته می‌شود. این مکث‌ها می‌توانند در سیستم‌های بلادرنگ یا برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد ثابت دارند، غیرقابل قبول باشند.
• افزایش مصرف حافظه: جمع‌آوری‌کننده‌های زباله اغلب برای عملکرد کارآمدتر، به حافظه بیشتری نسبت به سیستم‌های مدیریت‌شده دستی نیاز دارند.

اگرچه GC ابزار ارزشمندی برای بسیاری از برنامه‌ها است، اما همیشه راه‌حل ایده‌آل برای برنامه‌نویسی سیستمی یا برنامه‌هایی که عملکرد و پیش‌بینی‌پذیری در آن‌ها حیاتی است، نیست.

راه‌حل راست: مالکیت و امانت‌گیری

راست یک راه‌حل منحصربه‌فرد ارائه می‌دهد: ایمنی حافظه بدون جمع‌آوری زباله. این امر را از طریق سیستم مالکیت و امانت‌گیری خود، مجموعه‌ای از قوانین زمان کامپایل، که ایمنی حافظه را بدون سربار زمان اجرا اعمال می‌کنند، به دست می‌آورد. آن را به عنوان یک کامپایلر بسیار سخت‌گیر، اما بسیار مفید در نظر بگیرید که اطمینان حاصل می‌کند اشتباهات رایج مدیریت حافظه را مرتکب نمی‌شوید.

مالکیت

مفهوم اصلی مدیریت حافظه راست، مالکیت است. هر مقدار در راست یک متغیر دارد که مالک آن است. در هر زمان تنها یک مالک برای یک مقدار می‌تواند وجود داشته باشد. هنگامی که مالک از محدوده خارج می‌شود، مقدار به‌طور خودکار کنار گذاشته (آزاد) می‌شود. این کار نیاز به آزادسازی دستی حافظه را از بین می‌برد و از نشت حافظه جلوگیری می‌کند.

این مثال ساده را در نظر بگیرید:

fn main() {
    let s = String::from("hello"); // s is the owner of the string data

    // ... do something with s ...

} // s goes out of scope here, and the string data is dropped

در این مثال، متغیر `s` مالک داده رشته‌ای "hello" است. هنگامی که `s` در پایان تابع `main` از محدوده خارج می‌شود، داده رشته‌ای به‌طور خودکار حذف شده و از نشت حافظه جلوگیری می‌کند.

مالکیت همچنین بر نحوه تخصیص و پاس دادن مقادیر به توابع تأثیر می‌گذارد. هنگامی که یک مقدار به یک متغیر جدید اختصاص می‌یابد یا به یک تابع ارسال می‌شود، مالکیت یا منتقل می‌شود یا کپی می‌شود.

انتقال

هنگامی که مالکیت منتقل می‌شود، متغیر اصلی نامعتبر شده و دیگر قابل استفاده نیست. این از اشاره چندین متغیر به یک مکان حافظه جلوگیری می‌کند و خطر رقابت داده‌ها (data races) و اشاره‌گرهای آویزان را از بین می‌برد.

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1; // Ownership of the string data is moved from s1 to s2

    // println!("{}", s1); // This would cause a compile-time error because s1 is no longer valid
    println!("{}", s2); // This is fine because s2 is the current owner
}

در این مثال، مالکیت داده رشته‌ای از `s1` به `s2` منتقل می‌شود. پس از انتقال، `s1` دیگر معتبر نیست و تلاش برای استفاده از آن منجر به خطای زمان کامپایل خواهد شد.

کپی

برای انواع داده‌ای که خصوصیت `Copy` را پیاده‌سازی می‌کنند (مانند اعداد صحیح، بولی‌ها، کاراکترها)، مقادیر به جای انتقال، هنگام تخصیص یا پاس دادن به توابع کپی می‌شوند. این یک کپی جدید و مستقل از مقدار ایجاد می‌کند و هم مقدار اصلی و هم کپی معتبر باقی می‌مانند.

fn main() {
    let x = 5;
    let y = x; // x is copied to y

    println!("x = {}, y = {}", x, y); // Both x and y are valid
}

در این مثال، مقدار `x` در `y` کپی می‌شود. هر دو `x` و `y` معتبر و مستقل باقی می‌مانند.

امانت‌گیری

در حالی که مالکیت برای ایمنی حافظه ضروری است، در برخی موارد می‌تواند محدودکننده باشد. گاهی اوقات، لازم است به بخش‌های مختلف کد خود اجازه دسترسی به داده‌ها را بدون انتقال مالکیت بدهید. اینجاست که امانت‌گیری وارد می‌شود.

امانت‌گیری به شما امکان می‌دهد بدون به دست آوردن مالکیت، ارجاعاتی به داده‌ها ایجاد کنید. دو نوع ارجاع وجود دارد:

• ارجاعات غیرقابل تغییر (Immutable References): به شما اجازه می‌دهند داده‌ها را بخوانید اما آن‌ها را تغییر ندهید. می‌توانید همزمان چندین ارجاع غیرقابل تغییر به یک داده داشته باشید.
• ارجاعات قابل تغییر (Mutable References): به شما اجازه می‌دهند داده‌ها را تغییر دهید. در هر زمان تنها می‌توانید یک ارجاع قابل تغییر به یک قطعه داده داشته باشید.

این قوانین تضمین می‌کنند که داده‌ها به‌طور همزمان توسط بخش‌های مختلف کد تغییر نمی‌یابند، از رقابت داده‌ها جلوگیری کرده و یکپارچگی داده‌ها را تضمین می‌کنند. این‌ها نیز در زمان کامپایل اعمال می‌شوند.

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");

    let r1 = &s; // Immutable reference
    let r2 = &s; // Another immutable reference

    println!("{} and {}", r1, r2); // Both references are valid

    // let r3 = &mut s; // This would cause a compile-time error because there are already immutable references

    let r3 = &mut s; // mutable reference

    r3.push_str(", world");
    println!("{}", r3);

}

در این مثال، `r1` و `r2` ارجاعات غیرقابل تغییر به رشته `s` هستند. شما می‌توانید چندین ارجاع غیرقابل تغییر به یک داده داشته باشید. با این حال، تلاش برای ایجاد یک ارجاع قابل تغییر (`r3`) در حالی که ارجاعات غیرقابل تغییر موجود هستند، منجر به خطای زمان کامپایل خواهد شد. راست قانونی را اعمال می‌کند که نمی‌توانید همزمان هم ارجاعات قابل تغییر و هم غیرقابل تغییر به یک داده داشته باشید. پس از ارجاعات غیرقابل تغییر، یک ارجاع قابل تغییر `r3` ایجاد می‌شود.

طول عمرها

طول عمرها بخش حیاتی از سیستم امانت‌گیری راست هستند. آن‌ها حاشیه‌نویسی‌هایی هستند که محدوده‌ای را که یک ارجاع در آن معتبر است، توصیف می‌کنند. کامپایلر از طول عمرها برای اطمینان از اینکه ارجاعات از داده‌هایی که به آن‌ها اشاره می‌کنند، بیشتر عمر نمی‌کنند، جلوگیری کرده و از اشاره‌گرهای آویزان جلوگیری می‌کند. طول عمرها بر عملکرد زمان اجرا تأثیر نمی‌گذارند؛ آن‌ها صرفاً برای بررسی زمان کامپایل هستند.

این مثال را در نظر بگیرید:

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");
    {
        let string2 = String::from("xyz");
        let result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
        println!("The longest string is {}", result);
    }
}

در این مثال، تابع `longest` دو برش رشته‌ای (`&str`) را به عنوان ورودی می‌گیرد و یک برش رشته‌ای را برمی‌گرداند که طولانی‌ترین از بین آن دو را نشان می‌دهد. سینتکس `<'a>` یک پارامتر طول عمر `'a` را معرفی می‌کند که نشان می‌دهد برش‌های رشته ورودی و برش رشته برگشتی باید طول عمر یکسانی داشته باشند. این امر تضمین می‌کند که برش رشته برگشتی از برش‌های رشته ورودی بیشتر عمر نمی‌کند. بدون حاشیه‌نویسی‌های طول عمر، کامپایلر قادر به تضمین اعتبار ارجاع برگشتی نخواهد بود.

کامپایلر به اندازه‌ای هوشمند است که در بسیاری از موارد طول عمرها را استنتاج کند. حاشیه‌نویسی‌های صریح طول عمر تنها زمانی مورد نیاز هستند که کامپایلر نتواند طول عمرها را به‌تنهایی تعیین کند.

مزایای رویکرد ایمنی حافظه راست

• ایمنی حافظه بدون جمع‌آوری زباله: راست ایمنی حافظه را در زمان کامپایل تضمین می‌کند و نیاز به جمع‌آوری زباله در زمان اجرا و سربار مرتبط با آن را از بین می‌برد.
• عدم رقابت داده‌ها: قوانین امانت‌گیری راست از رقابت داده‌ها جلوگیری می‌کند و تضمین می‌کند که دسترسی همزمان به داده‌های قابل تغییر همیشه ایمن است.
• انتزاع‌های بدون هزینه: انتزاع‌های راست، مانند مالکیت و امانت‌گیری، هیچ هزینه زمان اجرایی ندارند. کامپایلر کد را بهینه‌سازی می‌کند تا تا حد امکان کارآمد باشد.
• عملکرد بهبود یافته: با اجتناب از جمع‌آوری زباله و جلوگیری از خطاهای مرتبط با حافظه، راست می‌تواند عملکرد عالی، اغلب قابل مقایسه با C و C++، را به دست آورد.
• افزایش اعتماد توسعه‌دهنده: بررسی‌های زمان کامپایل راست بسیاری از خطاهای رایج برنامه‌نویسی را می‌گیرد و به توسعه‌دهندگان اعتماد بیشتری به درستی کدشان می‌دهد.

مثال‌های عملی و موارد استفاده

ایمنی حافظه و عملکرد راست آن را برای طیف وسیعی از برنامه‌ها بسیار مناسب می‌سازد:

• برنامه‌نویسی سیستمی: سیستم‌های عامل، سیستم‌های جاسازی‌شده و درایورهای دستگاه از ایمنی حافظه و کنترل سطح پایین راست بهره می‌برند.
• وب‌اسمبلی (Wasm): راست می‌تواند به وب‌اسمبلی کامپایل شود و برنامه‌های وب با عملکرد بالا را امکان‌پذیر می‌سازد.
• ابزارهای خط فرمان: راست یک انتخاب عالی برای ساخت ابزارهای خط فرمان سریع و قابل اعتماد است.
• شبکه‌سازی: ویژگی‌های هم‌روندی و ایمنی حافظه راست آن را برای ساخت برنامه‌های شبکه‌سازی با عملکرد بالا مناسب می‌سازد.
• توسعه بازی: موتورهای بازی و ابزارهای توسعه بازی می‌توانند از عملکرد و ایمنی حافظه راست بهره ببرند.

در اینجا چند مثال خاص آورده شده است:

• سروو (Servo): یک موتور مرورگر موازی که توسط موزیلا توسعه یافته و به زبان راست نوشته شده است. سروو توانایی راست در مدیریت سیستم‌های پیچیده و هم‌روند را نشان می‌دهد.
• TiKV: یک پایگاه داده کلید-مقدار توزیع‌شده که توسط پینگ‌کپ توسعه یافته و به زبان راست نوشته شده است. TiKV مناسب بودن راست را برای ساخت سیستم‌های ذخیره‌سازی داده با عملکرد بالا و قابل اعتماد به نمایش می‌گذارد.
• دنو (Deno): یک محیط زمان اجرای امن برای جاوا اسکریپت و تایپ‌اسکریپت که به زبان راست نوشته شده است. دنو توانایی راست را در ساخت محیط‌های زمان اجرای امن و کارآمد نشان می‌دهد.

یادگیری راست: رویکردی تدریجی

سیستم مالکیت و امانت‌گیری راست در ابتدا می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. با این حال، با تمرین و صبر، می‌توانید بر این مفاهیم مسلط شوید و قدرت راست را آزاد کنید. در اینجا یک رویکرد پیشنهادی آورده شده است:

1. از اصول شروع کنید: با یادگیری سینتکس اساسی و انواع داده‌ای راست آغاز کنید.
2. بر مالکیت و امانت‌گیری تمرکز کنید: برای درک قوانین مالکیت و امانت‌گیری وقت بگذارید. سناریوهای مختلف را آزمایش کنید و سعی کنید قوانین را زیر پا بگذارید تا واکنش کامپایلر را ببینید.
3. مثال‌ها را کار کنید: برای کسب تجربه عملی با راست، آموزش‌ها و مثال‌ها را مرور کنید.
4. پروژه‌های کوچک بسازید: شروع به ساخت پروژه‌های کوچک کنید تا دانش خود را به کار ببندید و درک خود را تثبیت کنید.
5. اسناد را بخوانید: مستندات رسمی راست یک منبع عالی برای یادگیری درباره زبان و ویژگی‌های آن است.
6. به انجمن بپیوندید: انجمن راست دوستانه و حمایت‌کننده است. به فروم‌های آنلاین و گروه‌های چت بپیوندید تا سؤال بپرسید و از دیگران بیاموزید.

منابع عالی بسیاری برای یادگیری راست در دسترس هستند، از جمله:

• زبان برنامه‌نویسی راست (کتاب): کتاب رسمی راست، به صورت آنلاین و رایگان در دسترس است: https://doc.rust-lang.org/book/
• راست با مثال: مجموعه‌ای از مثال‌های کد که ویژگی‌های مختلف راست را نشان می‌دهد: https://doc.rust-lang.org/rust-by-example/
• راست‌لینگس (Rustlings): مجموعه‌ای از تمرینات کوچک برای کمک به شما در یادگیری راست: https://github.com/rust-lang/rustlings

نتیجه‌گیری

ایمنی حافظه راست بدون جمع‌آوری زباله یک دستاورد مهم در برنامه‌نویسی سیستمی است. با بهره‌گیری از سیستم نوآورانه مالکیت و امانت‌گیری خود، راست راهی قدرتمند و کارآمد برای ساخت برنامه‌های قوی و قابل اعتماد فراهم می‌کند. اگرچه منحنی یادگیری ممکن است شیب‌دار باشد، اما مزایای رویکرد راست ارزش سرمایه‌گذاری را دارد. اگر به دنبال زبانی هستید که ایمنی حافظه، عملکرد و هم‌روندی را ترکیب کند، راست یک انتخاب عالی است.

همانطور که چشم‌انداز توسعه نرم‌افزار به تکامل خود ادامه می‌دهد، راست به عنوان زبانی که هم ایمنی و هم عملکرد را در اولویت قرار می‌دهد، برجسته است و توسعه‌دهندگان را قادر می‌سازد تا نسل بعدی زیرساخت‌ها و برنامه‌های حیاتی را بسازند. چه یک برنامه‌نویس سیستمی باتجربه باشید و چه تازه‌وارد به این حوزه، کاوش رویکرد منحصربه‌فرد راست به مدیریت حافظه تلاشی ارزشمند است که می‌تواند درک شما از طراحی نرم‌افزار را گسترش داده و امکانات جدیدی را باز کند.