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Rust 的速度：它在执行效率方面如何超越 C++ 和其他语言

说到速度型编程语言，C++ 长期以来一直是黄金标准。然而，Rust 已经崛起成为强劲的竞争对手，其执行速度往往能与 C++ 相媲美，甚至超越后者。Rust 的速度如此之快，究竟是什么原因？它如何在保持安全性和现代特性的同时，实现如此卓越的性能？本文将探讨 Rust 速度背后的技术原因，将其与 C++ 进行比较，并重点介绍 Rust 独有的、其他语言所不具备的效率优势。


计算机屏幕上 Rust 和 C++ 代码的比较

Rust 如何实现高执行速度

Rust 的速度优势源于其设计选择和编译器优化相结合，这些选择和优化都侧重于零成本抽象和内存安全，同时避免运行时开销。以下是关键因素：


零成本抽象

Rust 使用不会增加运行时开销的抽象。这意味着你可以编写高级且富有表现力的代码，而无需牺牲性能。例如，Rust 的迭代器和闭包编译后得到的机器代码与 C++ 中等效的手写循环完全相同。这与其他一些语言形成鲜明对比，在这些语言中，抽象会增加额外的开销。


所有权和借贷制度

Rust 的所有权模型在编译时强制执行严格的内存访问和管理规则。这消除了对垃圾回收器或手动内存管理的需求，而这两者都会降低代码执行速度。通过精确地控制数据的创建和销毁时间，Rust 可以生成高效的代码，避免不必要的复制或分配。


高效内存管理

Rust 的内存管理方式避免了堆分配带来的运行时开销，除非明确要求。Rust 优先且鼓励使用栈分配，因为它速度更快。当必须进行堆分配时，Rust 的标准库提供了高效的数据结构来最大限度地减少开销。


激进的编译器优化

Rust 编译器操作

Rust 使用 LLVM 作为后端，LLVM 与 C++ 使用相同的编译器架构。LLVM 执行诸如内联、循环展开和死代码消除等高级优化。Rust 的编译器前端生成的代码可以被 LLVM 有效优化，从而生成快速的机器代码。


为什么 Rust 的运行速度可以和 C++ 一样快甚至更快？


C++ 以其速度著称，因为它直接编译成机器代码，并赋予程序员对硬件的精细控制。Rust 通过将类似的底层控制与现代安全特性相结合，也达到了同样的水平。以下是 Rust 在某些情况下性能优于 C++ 的一些原因：


更安全的并发，避免数据竞争

Rust 的类型系统在编译时就避免了数据竞争，使开发者能够自信地编写并发代码。这种安全性使得开发者可以更积极地进行并行处理和优化，而无需担心 C++ 程序中那些可能降低性能的隐蔽 bug。


减少未定义行为

C++ 允许未定义行为，这可能导致不可预测的结果或安全漏洞。Rust 严格的规则消除了许多此类问题，使编译器能够做出更强的假设并生成更优化的代码。


现代语言特征

Rust 包含模式匹配、代数数据类型和基于 trait 的泛型等特性，能够编写简洁而富有表现力的代码。这些特性帮助开发者编写高效的算法，编译器可以对其进行很好的优化，有时甚至比等效的 C++ 代码效果更好。


示例：向量求和

考虑对向量的元素求和。在 C++ 中，你可能会这样写：

--> C++

int sum = 0;

for (int i = 0; i < vec.size(); ++i) {

    sum += vec[i];

}

在 Rust 中，等效的表达式是：

--> Rust

let sum: i32 = vec.iter().sum();

Rust 的迭代器 `.sum()` 编译后会变成一个与 C++ 版本一样高效的循环，但内存处理更安全，不会出现越界错误。


Rust 拥有其他语言所缺乏的效率

Rust之所以能兼具速度和安全性，是因为它拥有许多其他语言无法同时提供的特性：


没有垃圾收集员

与 Go 或 Java 等语言不同，Rust 不依赖垃圾回收器。这消除了自动内存管理带来的停顿和开销，使 Rust 非常适合实时性和性能要求极高的应用。


编译时安全检查

Rust 在编译过程中会执行大量的检查，捕获那些原本会导致运行时崩溃或速度变慢的错误。这减少了调试时间，提高了程序的整体可靠性，同时又不牺牲速度。


最小运行时

Rust 的运行时环境非常精简，主要仅限于启动和 panic 处理。这与 Python 或 JavaScript 等语言形成鲜明对比，后者的运行时环境会增加额外的开销，从而降低执行速度。


对内存布局的精细控制

Rust 允许使用 `repr(C)` 和打包结构体等特性来显式控制数据布局。这种控制有助于优化缓存使用和内存访问模式，从而提高系统编程的速度。


Rust 速度优势的实际应用案例


系统编程

Rust 越来越多地应用于对性能和安全性要求极高的操作系统、设备驱动程序和嵌入式系统。例如，Redox OS 就是用 Rust 编写的，这表明 Rust 可以处理传统上由 C++ 主导的底层任务。


WebAssembly

Rust 可以高效地编译成 WebAssembly，从而实现 Web 应用程序的快速执行。它的性能通常优于 JavaScript 和其他编译成 WebAssembly 的语言，因此成为高性能 Web 应用程序的热门选择。


游戏开发

Rust 的速度和安全性使其非常适合用于游戏引擎。像 Amethyst 这样的项目使用 Rust 构建快速、可靠的游戏循环和物理模拟，而无需担心 C++ 游戏引擎中常见的内存错误。


Rust关键速度因素总结


  • 零成本抽象允许编写高级代码而不会产生运行时开销。

  • 所有权和借用消除了垃圾回收和手动内存管理开销。

  • LLVM 优化生成了可与 C++ 相媲美的高效机器代码。

  • 安全的并发性使得并行代码能够运行得更快，而不会出现数据竞争。

  • 最短运行时间可降低执行开销。

  • 对内存布局的精细控制可以提高缓存效率。


Rust 的设计在速度、安全性和现代编程特性之间取得了平衡，这是其他语言鲜少能做到的。这种平衡解释了为什么 Rust 的运行速度通常与 C++ 一样快甚至更快，同时还能减少常见的编程错误。


Rust 不断发展的生态系统和工具持续提升其性能和可用性，使其成为既追求速度又追求安全性的开发者的理想选择。


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