حافظه و عملکرد سطح پایین در Rust

حافظه و عملکرد سطح پایین در Rust

Rust به‌عنوان یک زبان سیستمی، ابزارهای قدرتمندی برای مدیریت مستقیم حافظه و ارتباط با کدهای سطح پایین فراهم می‌کند. در این بخش با اشاره‌گرهای هوشمند (Smart Pointers)، کدهای unsafe و اتصال به زبان‌های C/C++ (FFI) آشنا می‌شویم.

Smart Pointers: Box, Rc, RefCell

Rust به‌جای اشاره‌گرهای خام، اشاره‌گرهای هوشمند (Smart Pointers) ارائه می‌دهد که مدیریت ایمن و منعطف حافظه را ممکن می‌کنند.

Box

- برای ذخیره داده‌ها در heap استفاده می‌شود.

- سایز نوع‌های بازگشتی یا داده‌های بزرگ را کنترل می‌کند.

let b = Box::new(10);
println!("Box contains: {}", b);

Box داده را در heap قرار می‌دهد اما مالکیت را همچنان به‌صورت ایمن مدیریت می‌کند.

Rc

- مرجع‌شمار (Reference Counted) برای اشتراک‌گذاری داده‌ها بین چند مالک.

- فقط برای داده‌های خواندنی (immutable) مناسب است.

use std::rc::Rc;
let a = Rc::new(5);
let b = Rc::clone(&a);
println!("a: {}, b: {}", a, b);

RefCell

- اجازه می‌دهد قوانین وام‌گیری (borrow rules) در زمان اجرا بررسی شوند، نه زمان کامپایل.

- امکان ایجاد قابلیت تغییر interior mutability را می‌دهد.

use std::cell::RefCell;
let data = RefCell::new(10);
*data.borrow_mut() += 5;
println!("data: {:?}", data.borrow());

 Unsafe Rust و کد غیر ایمن

Rust به‌طور پیش‌فرض ایمنی حافظه را تضمین می‌کند، اما گاهی نیاز به کارهای سطح پایین داریم (مثل کار با اشاره‌گر خام یا ارتباط با کدهای C).

کد unsafe امکان:

- دسترسی به اشاره‌گر خام

- فراخوانی توابع unsafe

- تغییر داده‌های immutable

- فراخوانی کد C

را می‌دهد.

مثال:

let x: i32 = 10;
let r: *const i32 = &x;


unsafe {
    println!("مقدار x از طریق اشاره‌گر: {}", *r);
}

در بلاک unsafe، مسئولیت ایمنی با برنامه‌نویس است.

FFI: اتصال به کدهای C/C++

Rust به‌راحتی می‌تواند با کدهای C (و با کمی کار اضافی، C++) ارتباط برقرار کند. این ویژگی برای نوشتن درایورها، کتابخانه‌های سیستمی یا استفاده از کتابخانه‌های موجود ضروری است.

تعریف تابع C:

فرض کنید یک تابع C دارید:

// example.c
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

در Rust:

extern "C" {
    fn add(a: i32, b: i32) -> i32;
}
fn main() {
    unsafe {
        let sum = add(3, 4);
        println!("نتیجه: {}", sum);
    }
}

برای استفاده از این کد باید در زمان build لینک به کتابخانه C انجام شود.

جمع‌بندی

در این بخش یاد گرفتیم:

- چطور با Smart Pointers مانند Box, Rc, و RefCell حافظه را به‌صورت ایمن و منعطف مدیریت کنیم.

- چگونه از unsafe Rust برای دسترسی سطح پایین و کار با اشاره‌گرهای خام استفاده کنیم.

- و چطور با استفاده از FFI کدهای Rust را به کتابخانه‌های C/C++ متصل کنیم.

در ادامه به مباحث هم‌زمانی و async در Rust خواهیم پرداخت.