Linux的層級架構(gòu)與Rust的主要模塊crate總結(jié)，值得轉(zhuǎn)發(fā)收藏
Linux的層級架構(gòu)
每個(gè)操作系統(tǒng)都有一個(gè)內(nèi)核，內(nèi)核封裝了底層硬件設(shè)備管理、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化和收發(fā)傳輸、文件系統(tǒng)讀寫等。從這個(gè)圖可以看到，內(nèi)核將系統(tǒng)硬件與應(yīng)用程序進(jìn)程連接起來，隱藏了上層下層交互的一些細(xì)節(jié)，各司其職。
這些分層包括：
- 用戶空間程序
- 編譯器
- 終端
- 防火墻
- 系統(tǒng)調(diào)用的跨平臺(tái)API(特定于平臺(tái)的系統(tǒng)調(diào)用包裝API)
- Rust標(biāo)準(zhǔn)庫
- libc（或等效的API）
- kernel，操作系統(tǒng)的核心模塊
- 系統(tǒng)資源
- 內(nèi)存
- 文件系統(tǒng)
- 網(wǎng)絡(luò)
- 硬件和其他設(shè)備（包括鍵盤、鼠標(biāo)、監(jiān)視器、磁盤驅(qū)動(dòng)器）
Rust的標(biāo)準(zhǔn)庫的功能劃分
而Rust標(biāo)準(zhǔn)庫，很好的利用了操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的API。
Rust標(biāo)準(zhǔn)庫是Rust程序進(jìn)入Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核函數(shù)的主要接口，它在內(nèi)部使用libc(在Windows系統(tǒng)使用其他等效的庫）來調(diào)用內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用。
從Rust程序中發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)管理和操作各種系統(tǒng)資源（如圖）。
libc（或其變體）為類UNIX操作系統(tǒng)上的系統(tǒng)調(diào)用提供了一個(gè)包裝器，如Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了POSIX標(biāo)準(zhǔn)指定的數(shù)百個(gè)POSIX API（對于Windows，系統(tǒng)調(diào)用有等效的API，也實(shí)現(xiàn)了POSIX標(biāo)準(zhǔn)[1]）。
作為標(biāo)準(zhǔn)庫，Rust標(biāo)準(zhǔn)庫是跨平臺(tái)的，Rust標(biāo)準(zhǔn)庫的系統(tǒng)調(diào)用的細(xì)節(jié)是從Rust開發(fā)人員那里抽象出來的。Rust也支持不依賴于標(biāo)準(zhǔn)庫的運(yùn)行方式（no_std 方式），Rust直接操控底層硬件（如應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)場景），此時(shí)Rust就做了操作系統(tǒng)本身的工作。
對于大部分軟件開發(fā)工程師而言，他們用Rust主要開發(fā)應(yīng)用層軟件，也就是運(yùn)行在用戶空間的程序。它們基于標(biāo)準(zhǔn)庫編寫，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能。應(yīng)用層的軟件并非所有模塊和函數(shù)都涉及到系統(tǒng)調(diào)用（例如一些用于操作字符串和處理錯(cuò)誤的函數(shù)，就無需調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用）。
Rust標(biāo)準(zhǔn)庫包括幾大領(lǐng)域的模塊，包括四大類：
第一類，Rust語言原語
即Rust Language Primitives：Rust 語言的基本元素或基本類型（如下圖）。
如有符號整數(shù)、布爾值、浮點(diǎn)數(shù)、字符、字符串、數(shù)組、元組、切片。這些由Rust編譯器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。
Rust標(biāo)準(zhǔn)包括原語，并在它們之上構(gòu)建。
第二類，alloc crate
與堆分配值的內(nèi)存分配相關(guān)的類型、函數(shù)和特征。
包括集合（Vec、String等集合）、智能指針類型（Box<T>）、引用計(jì)數(shù)指針（Rc<T>）和原子引用計(jì)數(shù)指針（Arc<T>））。
第三類，core crate
作為Rust標(biāo)準(zhǔn)庫的基礎(chǔ)。充當(dāng)Rust語言與標(biāo)準(zhǔn)庫之間的鏈接，提供在Rust原語之上實(shí)現(xiàn)的類型、特征、常量和函數(shù)，并為所有Rust代碼提供基礎(chǔ)構(gòu)建塊，它是跨平臺(tái)的，沒有任何指向操作系統(tǒng)或其他外部依賴的鏈接。由于較少直接用到core crate，所以本文不做過多介紹。
第四類，模塊（標(biāo)準(zhǔn)庫的其他crate）
是標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，模塊crate包括針對并發(fā)、I/O，文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、異步I/O、錯(cuò)誤處理等功能，以及與特定操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)，Rust的官網(wǎng)對std有專門的文檔[2]。例如
- 為用戶程序在多個(gè)線程上并發(fā)運(yùn)行的功能在std::thread模塊中；
- 用于處理同步I/O的功能在std::io模塊中提供；
- 針對特定os的模塊，主要在std::os模塊中實(shí)現(xiàn)。
下圖展示了Rust標(biāo)準(zhǔn)庫各個(gè)領(lǐng)域功能涉及到的具體std模塊（如std::io、std::os等）
以下著重對第四類的主要 crate 做一介紹，并附上文檔地址。
Rust的并發(fā)控制相關(guān)模塊 conurrency：
模塊名 | 說明 |
std::env 模塊[3] | 包含與環(huán)境變量交互的功能，包括讀取、設(shè)置和刪除環(huán)境變量。 |
std::sync 模塊[4] | 提供了用于實(shí)現(xiàn)線程安全共享狀態(tài)的同步原語，如互斥鎖（Mutex）、原子操作（Atomic）和條件變量（Condvar）。 |
std::thread 模塊[5] | 提供了創(chuàng)建和管理線程的功能，包括線程的創(chuàng)建、 join、spawn 和同步。 |
std::process 模塊[6] | 提供了與操作系統(tǒng)進(jìn)程交互的功能，包括運(yùn)行外部命令、啟動(dòng)新進(jìn)程以及與進(jìn)程進(jìn)行通信。 |
Rust的內(nèi)存管理相關(guān)模塊 memory management：
模塊名 | 說明 |
std::alloc 模塊[7] | 提供了內(nèi)存分配器的功能，包括分配和釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存。 |
std::convert 模塊[8] | 提供了用于不同類型之間轉(zhuǎn)換的工具函數(shù)。 |
std::ptr 模塊[9] | 提供了對指針的操作和轉(zhuǎn)換功能，包括對裸指針的操作。 |
std::borrow 模塊[10] | 提供了用于管理借用的功能，包括 |
std::default 模塊[11] | 提供了默認(rèn) trait 實(shí)現(xiàn)的功能，用于為不提供具體實(shí)現(xiàn)的類型提供默認(rèn)行為。 |
std::rc 模塊[12] | 提供了引用計(jì)數(shù)（Reference Counting）的功能，用于實(shí)現(xiàn)線程安全的共享內(nèi)存。 |
std::cell 模塊[13] | 提供了可變性的 Cell 和 RefCell 類型，用于在多線程環(huán)境下安全地共享可變狀態(tài)。 |
std::mem 模塊[14] | 提供了與內(nèi)存相關(guān)的功能，包括內(nèi)存布局、內(nèi)存對齊和內(nèi)存操作。 |
std::clone 模塊[15] | 提供了用于實(shí)現(xiàn)克?。–lone） trait 的功能，用于復(fù)制和克隆復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 |
std::pin 模塊[16] | 提供了 Pin 類型，用于固定借用的生命周期，以避免懸垂指針和數(shù)據(jù)競爭問題。 |
Rust的文件系統(tǒng)操作相關(guān)模塊 File system：
模塊名 | 說明 |
std::fs 模塊[17] | 提供了與文件系統(tǒng)操作相關(guān)的功能，包括文件和目錄的創(chuàng)建、讀取、寫入和刪除等操作。 |
std::path 模塊[18] | 提供了與文件路徑相關(guān)的功能，包括路徑的解析、構(gòu)造和操作。 |
Rust的數(shù)據(jù)處理相關(guān)模塊 data processing：
模塊名 | 說明 |
std::ascii 模塊[19] | 提供了與 ASCII 碼相關(guān)的功能，包括對 ASCII 字符的操作和轉(zhuǎn)換。 |
std::fmt 模塊[20] | 提供了格式化輸出的功能，包括對各種數(shù)據(jù)類型的格式化和打印。 |
std::num 模塊[21] | 提供了對數(shù)字類型的抽象和操作，包括整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和復(fù)數(shù)等。 |
std::cmp 模塊[22] | 提供了用于比較和排序值的工具，包括比較運(yùn)算符的實(shí)現(xiàn)和排序函數(shù)。 |
std::hash 模塊[23] | 提供了用于計(jì)算哈希值的功能，包括對各種數(shù)據(jù)類型的哈希函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 |
std::ops 模塊[24] | 提供了一些基本的運(yùn)算符和操作符的實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算符、比較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符等。 |
std::iter 模塊[25] | 提供了迭代器（Iterator）的功能，包括創(chuàng)建和操作迭代器的方法，以及一些常見的迭代器類型。 |
Rust的錯(cuò)誤處理相關(guān)模塊 Error handling：
模塊名 | 說明 |
std::error 模塊[26] | 提供了錯(cuò)誤處理的功能，包括定義錯(cuò)誤類型和處理錯(cuò)誤的方法。 |
std::panic 模塊[27] | 提供了恐慌（Panic）機(jī)制，用于處理不可恢復(fù)的錯(cuò)誤情況。 |
std::option 模塊[28] | 提供了 Option 類型，用于表示可能存在或不存在的值，用于處理可能出現(xiàn)空值的情況。 |
std::result 模塊[29] | 提供了 Result 類型，用于表示成功或失敗的情況，通常用于處理可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的函數(shù)返回值。 |
Rust的編譯處理相關(guān)模塊 compiler：
模塊名 | 說明 |
std::hint 模塊[30] | 提供了一些用于編譯器提示的宏，用于影響編譯器的優(yōu)化行為。 |
std::primitive 模塊[31] | 提供了一些基本的類型和函數(shù)，用于處理數(shù)字、字符和布爾值等基本數(shù)據(jù)類型。 |
std::prelude 模塊[32] | 包含了一些基本的函數(shù)和宏，這些函數(shù)和宏在 Rust 標(biāo)準(zhǔn)庫中被廣泛使用，并且在每個(gè) Rust 程序中自動(dòng)導(dǎo)入。 |
Rust的跨語言調(diào)用相關(guān)模塊：FFI
模塊名 | 說明 |
std::ffi 模塊[33] | 提供了與外部函數(shù)接口（Foreign Function Interface，F(xiàn)FI）相關(guān)的功能，用于與其他語言或庫進(jìn)行交互。 |
Rust的網(wǎng)絡(luò)處理功能模塊 Networking：
模塊名 | 說明 |
std::net 模塊[34] | 提供了與網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的功能，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、套接字（Socket）和網(wǎng)絡(luò)地址等。 |
Rust的IO處理模塊：
模塊名 | 說明 |
std::io 模塊[35] | 提供了與輸入輸出相關(guān)的功能，包括文件操作、緩沖、讀寫數(shù)據(jù)等。 |
Rust的OS特定的功能模塊：
模塊名 | 說明 |
std::os 模塊[36] | 提供了與操作系統(tǒng)相關(guān)的功能，包括文件系統(tǒng)操作、進(jìn)程管理和系統(tǒng)信息等。 |
Rust的時(shí)間處理模塊：
模塊名 | 說明 |
std::time 模塊[37] | 提供了與時(shí)間和日期相關(guān)的功能，包括時(shí)間的表示、解析、轉(zhuǎn)換和計(jì)算等。 |
參考資料：
- [1]POSIX標(biāo)準(zhǔn): https://www.baike.com/wiki/%E5%8F%AF%E7%A7%BB%E6%A4%8D%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E6%8E%A5%E5%8F%A3/1647475
- [2]std有專門的文檔: https://doc.rust-lang.org/std/index.html
- [3]std::env 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/env/index.html
- [4]std::sync 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/sync/index.html
- [5]std::thread 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/thread/index.html
- [6]std::process 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/process/index.html
- [7]std::alloc 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/alloc/index.html
- [8]std::convert 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/convert/index.html
- [9]std::ptr 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/ptr/index.html
- [10]std::borrow 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/borrow/index.html
- [11]std::default 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/default/index.html
- [12]std::rc 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/rc/index.html
- [13]std::cell 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/cell/index.html
- [14]std::mem 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/mem/index.html
- [15]std::clone 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/clone/index.html
- [16]std::pin 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/pin/index.html
- [17]std::fs 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/fs/index.html
- [18]std::path 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/path/index.html
- [19]std::ascii 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/ascii/index.html
- [20]std::fmt 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/fmt/index.html
- [21]std::num 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/num/index.html
- [22]std::cmp 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/cmp/index.html
- [23]std::hash 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/hash/index.html
- [24]std::ops 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/ops/index.html
- [25]std::iter 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/iter/index.html
- [26]std::error 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/error/index.html
- [27]std::panic 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/panic/index.html
- [28]std::option 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/option/index.html
- [29]std::result 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/result/index.html
- [30]std::hint 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/hint/index.html
- [31]std::primitive 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/primitive/index.html
- [32]std::prelude 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/prelude/index.html
- [33]std::ffi 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/ffi/index.html
- [34]std::net 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/net/index.html
- [35]std::io 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/io/index.html
- [36]std::os 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/os/index.html
- [37]std::time 模塊: https://doc.rust-lang.org/std/time/index.html
