2021 年，Python 又獲得了 TIOBE 年度編程語(yǔ)言，排名已經(jīng)是第一。而 Rust 依然在 20 名以外。但依然有人認(rèn)為，Rust 甚至可能取代 Python。不過(guò)這不重要，認(rèn)清兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而合適的地方使用合適的語(yǔ)言，這才最重要。

在這個(gè)指南中，我們將比較 Rust 和 Python 這兩門(mén)語(yǔ)言，同時(shí)將討論它們各自的應(yīng)用場(chǎng)景，回顧使用 Rust vs. Python 的優(yōu)缺點(diǎn)，并解釋 Rust 為什么越來(lái)越受歡迎(甚至可能取代 Python)。

01 Rust 是什么?

Rust [1] 是一門(mén)系統(tǒng)編程語(yǔ)言，專(zhuān)注于安全，尤其是并發(fā)安全，支持函數(shù)式和命令式以及泛型等編程范式的多范式語(yǔ)言。Rust 在語(yǔ)法上和 C++ 類(lèi)似，但是設(shè)計(jì)者想要在保證性能的同時(shí)提供更好的內(nèi)存安全。Rust 最初是由 Mozilla 研究院的 Graydon Hoare 設(shè)計(jì)創(chuàng)造，然后在 Dave Herman, Brendan Eich 以及很多其他人的貢獻(xiàn)下逐步完善的。Rust 的設(shè)計(jì)者們通過(guò)在研發(fā) Servo 網(wǎng)站瀏覽器布局引擎過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了 Rust 語(yǔ)言和 Rust 編譯器。

Rust 擁有 優(yōu)秀的文檔 [2] 、友好的編譯器和有用的錯(cuò)誤消息，以及頂級(jí)工具，包括集成包管理器、構(gòu)建工具、支持自動(dòng)完成和類(lèi)型檢查的智能多編輯器、自動(dòng)格式化程序等等。

Rust 發(fā)布于 2010 年。雖然和 Python 相比，Rust 是一門(mén)年輕的語(yǔ)言，但是它的社區(qū)正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。事實(shí)上，Rust 已經(jīng)連續(xù)五年(2016，2017，2018，2019，2020)在 Stack Overflow 開(kāi)發(fā)者調(diào)查的“最受喜愛(ài)編程語(yǔ)言”評(píng)選項(xiàng)目中摘取桂冠。

乍一看，Rust 的靜態(tài)化和強(qiáng)類(lèi)型化可能看起來(lái)有點(diǎn)極端。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這有助于防止意外的代碼行為。

02 Python 是什么?

Python [3] 是一門(mén)旨在幫助開(kāi)發(fā)人員更有效地工作和更有效地集成系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。Python 提供了高效的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還能簡(jiǎn)單有效地面向?qū)ο缶幊?。Python 語(yǔ)法和動(dòng)態(tài)類(lèi)型，以及解釋型語(yǔ)言的本質(zhì)，使它成為多數(shù)平臺(tái)上寫(xiě)腳本和快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用的編程語(yǔ)言，隨著版本的不斷更新和語(yǔ)言新功能的添加，逐漸被用于獨(dú)立的、大型項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。如果速度是最重要的，可以使用較低級(jí)別的 API 調(diào)用，如 CPython [4] 。

1991 年 Guido van Rossum 推出了 Python，以其代碼的可讀性、無(wú)分號(hào)和花括號(hào)而著稱(chēng)。

除了可擴(kuò)展性之外，Python 還是一門(mén)解釋型語(yǔ)言，這使得它比大多數(shù)編譯型語(yǔ)言要慢。正如您可能期望的那樣，Python 擁有一個(gè)龐大的庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)和一個(gè)龐大的專(zhuān)業(yè)社區(qū)。

03 什么時(shí)候使用 Rust

Rust 被應(yīng)用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、操作系統(tǒng)、企業(yè)系統(tǒng)、微控制器應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、瀏覽器組件、虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真引擎等。

當(dāng)性能很重要的時(shí)候，Rust 是一種常用的語(yǔ)言，因?yàn)樗芎芎玫靥幚泶罅繑?shù)據(jù)。它可以處理 CPU 密集型的操作，如執(zhí)行算法，這就是為什么 Rust 比 Python 更適合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的原因。

Rust 保證了內(nèi)存的安全性，讓你可以控制線程行為和線程之間的資源分配方式。這使你能夠構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)，也使得 Rust 比 Python 更有優(yōu)勢(shì)。

總而言之，你應(yīng)在以下情況下使用 Rust：

• 你的項(xiàng)目需要高性能
• 你正在構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)
• 你重視內(nèi)存安全而不是簡(jiǎn)單性

04 什么時(shí)候使用 Python

Python 可以用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，從 Web 開(kāi)發(fā)，到數(shù)據(jù)科學(xué)和分析，到 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)，再到軟件開(kāi)發(fā)。

Python 被廣泛用于機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)科學(xué)和 AI，因?yàn)樗?/p>

• 簡(jiǎn)單且容易
• 靈活
• 包含大量面向數(shù)據(jù)的軟件包和庫(kù)
• 有出色的工具和庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)支持

在以下情況下，你應(yīng)該使用 Python：

• 你需要一種靈活的語(yǔ)言來(lái)支持 Web 開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)科學(xué)和分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)和 AI
• 你重視可讀性和簡(jiǎn)單性
• 你需要一種對(duì)初學(xué)者友好的語(yǔ)言
• 與性能相比，你更喜歡語(yǔ)法簡(jiǎn)單和開(kāi)發(fā)速度

05 為什么 Rust 可以取代 Python

考慮到 Rust 的迅速普及、受歡迎程度和廣泛的使用案例，它幾乎不可避免地會(huì)在不久的將來(lái)超越 Python，以下是一些原因。

性能

Rust 超越 Python 的一個(gè)主要原因是性能。因?yàn)?Rust 是直接編譯成機(jī)器代碼的，所以在你的代碼和計(jì)算機(jī)之間沒(méi)有虛擬機(jī)或解釋器。

與 Python 相比，另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是 Rust 的線程和內(nèi)存管理。雖然 Rust 不像 Python 那樣有垃圾回收機(jī)制，但 Rust 中的編譯器會(huì)強(qiáng)制檢查無(wú)效的內(nèi)存引用泄漏和其他危險(xiǎn)或不規(guī)則行為。

編譯語(yǔ)言通常比解釋語(yǔ)言要快。但是，使 Rust 處于不同水平的是，它幾乎與 C 和 C ++一樣快，而且沒(méi)有額外開(kāi)銷(xiāo)。

讓我們看一個(gè)用 Python 編寫(xiě)的 O(log n) 程序的示例，并使用迭代方法計(jì)算完成任務(wù)所需的時(shí)間： 

import random 
import datetime 
def binary_searcher(search_key, arr): 
  low = 0 
  high = len(arr)-1 
  while low <= high: 
    mid = int(low + (high-low)//2) 
    if search_key == arr[mid]: 
      return True 
    if search_key < arr[mid]: 
      high = mid-1 
      elif search_key > arr[mid]: 
        low = mid+1 
return False 

輸出： 

> python -m binny.py 
It took 8.6μs to search 

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看一下使用迭代方法用 Rust 編寫(xiě)的定時(shí) O(log n) 程序： 

>use rand::thread_rng; 
use std::time::Instant; 
use floating_duration::TimeFormat; 
 
fn binary_searcher(search_key: i32, vec: &mut Vec<i32>) -> bool { 
  let mut low: usize = 0; 
  let mut high: usize = vec.len()-1; 
  let mut _mid: usize = 0; 
  while low <= high { 
    _mid = low + (high-low)/2; 
    if search_key == vec[_mid] { 
      return true; 
    } 
    if search_key < vec[_mid] { 
      high = _mid - 1; 
    } else if search_key > vec[_mid] { 
      low = _mid + 1; 
    } 
  } 
  return false; 
} 
 
fn main() { 
  let mut _rng = thread_rng(); 
  let mut int_vec = Vec::new(); 
  let max_num = 1000000; 
 
  for num in 1..max_num { 
    int_vec.push(num as i32); 
  } 
  let start = Instant::now(); 
  let _result = binary_searcher(384723, &mut int_vec); 
  println!("It took: {} to search", TimeFormat(start.elapsed())); 
} 

輸出： 

> cargo run 
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.04s 
Running target\debug\algo_rusty.exe 
It took: 4.6μs to search 

在沒(méi)有使用任何優(yōu)化技術(shù)的情況下，Rust 和 Python 在同一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行類(lèi)似的操作分別需要 4.6 微秒和 8.6 微秒。這意味著 Python 花費(fèi)的時(shí)間幾乎是 Rust 的兩倍。

內(nèi)存管理

Python 和大多數(shù)現(xiàn)代編程語(yǔ)言一樣，被設(shè)計(jì)成內(nèi)存安全的。然而，即使沒(méi)有垃圾回收。Rust 在內(nèi)存安全方面卻讓 Python 望塵莫及。

Rust 采用了一種獨(dú)特的方式來(lái)確保內(nèi)存安全，其中涉及所有權(quán)系統(tǒng)和借用檢查器(borrow checker)。Rust 的借用檢查器確保引用和指針不會(huì)超過(guò)它們所指向的數(shù)據(jù)。

錯(cuò)誤檢查與診斷

Python 和其他語(yǔ)言一樣，提供了錯(cuò)誤檢查和日志機(jī)制。但是在讓開(kāi)發(fā)者知道哪里出了什么問(wèn)題的時(shí)候，Rust 和 Python 之間有一些差異。

舉一個(gè) Python 變量錯(cuò)誤的典型例子： 

apple = 15  
print('The available apples are:', aple) 

Python 輸出： 

Traceback (most recent call last): 
    File "binny.py", line 2, in <module> 
      print('The available apples are:', aple) 
    NameError: name 'aple' is not defined 

Rust 中的類(lèi)似示例： 

fn main() { 
  let apple = 15; 
  println!("The available apples are:", aple); 
} 

Rust 輸出： 

println!("The available apples are:", aple); 
   ^^^^ help: a local variable with a similar name exists: `apple` 

在這里，Rust 推薦了可能的變量，這些變量可能是你想輸入的。Python 只會(huì)拋出錯(cuò)誤，而不會(huì)給出如何修復(fù)的建議。

再舉個(gè)例子： 

fn main() { 
  let grass = 13; 
 
  grass += 1; 
} 

此代碼引發(fā)錯(cuò)誤，因?yàn)槟J(rèn)情況下 Rust 中的變量是不可變的。除非它具有關(guān)鍵字 mut ，否則無(wú)法更改。

錯(cuò)誤： 

let grass = 13; 
      |         ----- 
      |         | 
      |         first assignment to `grass` 
      |         help: make this binding mutable: `mut grass` 

修正錯(cuò)誤： 

fn main() { 
  let mut _grass: i32 = 13; 
 
  _grass += 1; 
} 

如你所見(jiàn)，現(xiàn)在它不會(huì)引發(fā)任何錯(cuò)誤。除此之外，Rust 不允許不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型相互操作，除非將它們轉(zhuǎn)換為相同的類(lèi)型。

因此，維護(hù) Rust 代碼庫(kù)通常很容易。除非指定，否則 Rust 不允許更改。Python 是允許這種性質(zhì)的更改的。

與大多數(shù)編譯語(yǔ)言相比，Rust 因其速度快、內(nèi)存安全有保證、超強(qiáng)的可靠性、一致性和用戶友好性而備受青睞。在編程中，我們已經(jīng)到了速度開(kāi)始變得毫不費(fèi)力的地步。

隨著技術(shù)的發(fā)展，它變得越來(lái)越快，試圖在更短的時(shí)間內(nèi)做更多的事情，而不需要那么多的權(quán)衡。Rust 幫助實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，同時(shí)又不妨礙開(kāi)發(fā)者的工作。當(dāng)技術(shù)試圖推動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)的邊界時(shí)，它也會(huì)考慮系統(tǒng)的安全性和可靠性，這是 Rust 背后的主要思想。

并行運(yùn)算

除了速度外，Python 在并行計(jì)算方面也有局限性。

Python 使用全局解釋器鎖(GIL)，它鼓勵(lì)只有一個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，以提高單線程的性能。這是一大局限，因?yàn)樗馕吨悴荒苁褂枚鄠€(gè) CPU 核進(jìn)行密集計(jì)算。

社區(qū)

如前所述，Stack Overflow 的“ 2020 開(kāi)發(fā)人員調(diào)查”中有 86%的受訪者將 Rust 稱(chēng)為 2020 年最喜歡的編程語(yǔ)言。

同樣，“ 2020 HackerRank 開(kāi)發(fā)人員技能報(bào)告”的受訪者將 Rust 列為他們計(jì)劃下一步學(xué)習(xí)的十大編程語(yǔ)言：

相比之下，2019 年的調(diào)查將 Rust 排在列表的底部，這表明 Rust 開(kāi)發(fā)人員社區(qū)正在迅速增長(zhǎng)。

這些數(shù)據(jù)表明，Rust 正在成為主流開(kāi)發(fā)者社區(qū)的一部分。許多大公司都在使用 Rust，一些開(kāi)發(fā)者甚至用它來(lái)構(gòu)建其他編程語(yǔ)言使用的庫(kù)。著名的 Rust 用戶包括 Mozilla、Dropbox、Atlassian、npm 和 Cloudflare 等等。

Amazon Web Service 還對(duì) Lambda，EC2 和 S3 中的性能敏感組件采用了 Rust。在 2019 年，AWS 宣布贊助 Rust 項(xiàng)目，此后為 Rust 提供了 AWS 開(kāi)發(fā)工具包。

公司正越來(lái)越多地用更高效的編程語(yǔ)言(如 Rust)取代速度較慢的編程語(yǔ)言。沒(méi)有其他語(yǔ)言能像 Rust 一樣在簡(jiǎn)單和速度之間做出平衡。

06 總結(jié)

Rust 已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)易于使用的編程語(yǔ)言，因此它的使用率有所提高。盡管 Python 在機(jī)器學(xué)習(xí)/數(shù)據(jù)科學(xué)社區(qū)中占有堅(jiān)實(shí)的地位，但 Rust 在未來(lái)很可能被用作 Python 庫(kù)更有效的后端。

Rust 具有取代 Python 的巨大潛力。目前的趨勢(shì)是，在應(yīng)用程序、性能和速度方面，Rust 不僅僅是一種編程語(yǔ)言，它還是一種思維方式。