Rust vs C++：性能、安全性及用例比较

在软件开发中，选择编程语言是一个至关重要的决定。Rust 和 C++ 是两种经常被比较的强大语言，尤其是在需要性能和底层控制的情况下。虽然两者都提供这些能力，但它们在内存安全、并发性和整体编程体验方面存在显著差异。本文深入比较了 Rust 和 C++，考察了它们的特性、优点、缺点和理想用例，以帮助开发者做出明智的选择。

Rust 的出现：解决 C++ 的局限性

长期以来，C++ 一直在性能关键领域占据主导地位，如嵌入式系统、游戏开发和操作系统内核。然而，它的年代久远也带来了复杂性和潜在的陷阱。由 Mozilla 赞助的 Rust 旨在解决 C++ 的挑战，特别是在内存安全和并发性方面。Rust 已经获得了显著的关注，一直受到开发者的高度赞扬，并被主要技术公司采用。

内存管理：根本性的差异

Rust 和 C++ 之间最关键的区别在于它们处理内存管理的方式。C++ 传统上使用手动内存管理，让开发者可以直接控制内存的分配和释放。虽然这提供了灵活性，但也带来了内存相关错误的风险：

• 悬空指针： 指向已释放内存的指针。
• 内存泄漏： 已分配但不再使用且未释放的内存。
• 缓冲区溢出： 写入数据超出已分配缓冲区的限制。
• 重复释放： 尝试两次释放同一内存区域。
• 释放后使用： 在内存被释放后访问它。

这些错误可能导致崩溃、安全漏洞和不可预测的行为。C++ 需要精细的编码和广泛的调试来减轻这些问题。

Rust 采取了不同的方法，使用所有权和借用系统，并在编译时强制执行。这提供了内存安全，无需垃圾回收器。其核心原则是：

• 所有权： 每个值都有一个单一、明确的所有者。
• 借用： 代码可以临时借用值，但所有权保持不变。
• 生命周期： 编译器跟踪引用的生命周期，确保有效性。

Rust 的“借用检查器”强制执行这些规则，防止了 C++ 中常见的许多内存错误。这显著提高了安全性并减少了调试工作。

// Rust 所有权示例
fn main() {
    let s1 = String::from("hello"); // s1 拥有字符串
    let s2 = s1;                 // 所有权转移到 s2
    // println!("{}", s1);       // 这将导致编译时错误
                                 // 因为 s1 不再拥有数据。
    println!("{}", s2);          // s2 可以在这里使用
}

现代 C++ 提供了智能指针（std::unique_ptr、std::shared_ptr）和资源获取即初始化（RAII）惯用法来自动释放和防止泄漏。然而，这些并不能消除所有风险。Rust 的编译时保证提供了更强的安全级别。

// C++ 智能指针示例
#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr1(new int(10)); // ptr1 拥有整数
    // std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr1;   // 这将是一个编译时错误，
                                           // 防止重复释放问题。
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 所有权被*转移*。

    if (ptr1) {
      std::cout << *ptr1 << std::endl; // 不会执行，因为 `ptr1` 现在为空
    }

    if (ptr2) {
        std::cout << *ptr2 << std::endl; // 打印 10
    }

    return 0;
} // ptr2 超出作用域，整数被自动释放。

并发性：设计上安全的并行

并发性，使程序能够同时运行多个任务，是另一个关键区别。C++ 提供了手动线程管理和同步（互斥锁、锁）。然而，编写正确的并发 C++ 代码很困难，数据竞争是一个常见问题。在 C++ 中，可以通过使用 std::atomic 和 std::mutex 等工具来避免数据竞争，但这需要仔细的手动操作来确保正确性。

Rust 的所有权和借用系统扩展到并发性。借用检查器在编译时防止数据竞争，使 Rust 中的并发编程更可靠，更不容易出错。

// Rust 并发示例（使用 AtomicUsize）
use std::thread;
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
use std::sync::Arc;

fn main() {
    let counter = Arc::new(AtomicUsize::new(0)); // 共享、可变计数器
    let mut handles = vec![];

    for _ in 0..10 {
        let counter = Arc::clone(&counter);
        let handle = thread::spawn(move || {
            counter.fetch_add(1, Ordering::SeqCst); // 原子递增
        });
        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    println!("Result: {}", counter.load(Ordering::SeqCst)); // 打印 10
}

// C++ 并发示例（使用 std::atomic）
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <vector>

int main() {
    std::atomic<int> counter(0); // 原子计数器
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back([&counter]() {
            counter++; // 原子递增
        });
    }

    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    std::cout << "Result: " << counter << std::endl; // 打印 10
    return 0;
}

这些示例演示了两种语言如何实现并发，但 Rust 的编译时检查提供了显著的安全优势。如果 C++ 示例没有使用 std::atomic，则可能存在数据竞争。

性能：激烈的竞争

Rust 和 C++ 都以高性能著称。C++ 的直接内存控制和底层硬件访问有助于其速度。Rust 的性能具有很强的竞争力，通常在基准测试中与 C++ 不相上下。然而，在高性能计算 (HPC) 中，C++ 通常由于其更成熟的 SIMD（单指令多数据）优化而具有优势。

Rust 的安全检查具有最小的运行时开销，通常在实际应用中可以忽略不计。内存安全性和安全并发性的提高通常超过了这一点，特别是在复杂项目中。

在特殊场景中，如 HPC，C++ 可能由于其成熟度、编译器优化和广泛的、高度调优的库而具有微弱优势。然而，Rust 的性能正在不断提高，差距正在缩小。

标准库和生态系统：成熟度 vs. 极简主义

C++ 拥有一个庞大而成熟的标准库 (STL)，提供了许多容器、算法和实用工具。这可能是有利的，提供了预构建的解决方案。然而，STL 包含较旧的组件，并且可能很复杂。

Rust 的标准库更加简约，强调核心功能和安全性。附加功能通过 Cargo 管理的“crates”（包）提供。虽然比 C++ 的生态系统年轻，但 Rust 的社区非常活跃且快速增长。

元编程：模板 vs. 特征和宏

元编程（编写操作其他代码的代码）在两种语言中都很强大。C++ 使用模板元编程进行编译时计算和代码生成。然而，C++ 模板可能很复杂并增加编译时间。

Rust 使用基于特征的泛型和宏。尽管在某些方面不如 C++ 模板强大，但 Rust 的方法通常更具可读性和一致性。

错误处理：显式结果 vs. 异常

Rust 和 C++ 处理错误的方式不同。Rust 使用 Result 类型，促进显式错误检查。这使得错误处理可预测并减少意外异常。

// Rust Result 示例
fn divide(x: f64, y: f64) -> Result<f64, String> {
    if y == 0.0 {
        Err("Cannot divide by zero".to_string())
    } else {
        Ok(x / y)
    }
}

fn main() {
    match divide(10.0, 2.0) {
        Ok(result) => println!("Result: {}", result),
        Err(err) => println!("Error: {}", err),
    }

    match divide(5.0, 0.0) {
        Ok(result) => println!("Result: {}", result), // 不会被执行
        Err(err) => println!("Error: {}", err),       // 打印 "Error: Cannot divide by zero"
    }
}

C++ 传统上使用异常。如果不仔细处理，异常可能会产生性能开销并导致资源泄漏。现代 C++ 还提供了 std::optional，以及自 C++ 23 起提供的 std::expected，从而实现了更像 Rust 的 Result 的显式错误处理风格。然而，std::expected 仍然相对较新，尚未在许多 C++ 代码库中广泛使用。

//C++ 异常和 std::optional 示例
#include <iostream>
#include <optional>
#include <stdexcept>

double divide_exception(double x, double y) {
    if (y == 0.0) {
        throw std::runtime_error("Cannot divide by zero");
    }
    return x / y;
}

std::optional<double> divide_optional(double x, double y) {
    if (y == 0.0) {
        return std::nullopt;
    }
    return x / y;
}
int main() {
    try {
      std::cout << divide_exception(10.0,2.0) << std::endl;
      std::cout << divide_exception(1.0,0.0) << std::endl;
    }
    catch (const std::runtime_error& error)
    {
        std::cout << "Error:" << error.what() << std::endl;
    }

    if (auto result = divide_optional(5.0, 2.0)) {
        std::cout << "Result: " << *result << std::endl;
    }

    if (auto result = divide_optional(5.0, 0.0)) {
        // 此块不会执行
    } else {
        std::cout << "Cannot divide by zero (optional)" << std::endl;
    }

    return 0;
}

编译：模块化 vs. 基于预处理器的

Rust 的编译是模块化的，以“crates”为基本单元。这实现了更快的增量构建和更好的依赖管理。C++ 传统上使用基于预处理器的模型和单独编译。虽然灵活，但这可能导致较慢的构建时间，尤其是在大型项目中。C++20 引入了模块来解决这个问题，但它们的采用仍在进行中。

语法和特性：重叠和差异

Rust 的语法类似于 C 和 C++，这使得 C++ 开发者可以轻松上手。然而，Rust 融合了函数式编程的影响，形成了更现代的风格。

两种语言都支持面向对象编程 (OOP)，但方式不同。C++ 是多范式的，具有类、继承和多态性。Rust 使用结构体、枚举、特征和方法进行 OOP，但没有传统的类继承。Rust 的方法通常被认为更灵活，并避免了 C++ 继承的复杂性。

Rust 的缺点

虽然 Rust 提供了许多优点，但重要的是要承认它的缺点：

• 更陡峭的学习曲线： Rust 的所有权系统、借用检查器和生命周期概念对于初学者来说可能具有挑战性，特别是对于那些不熟悉系统编程的人。编译器的严格性虽然有益，但最初可能会导致更多的编译时错误。
• 有限的 GUI 框架支持： 与 C++ 相比，Rust 的 GUI 生态系统不太成熟。虽然有一些选项（例如，Iced、egui、Relm4），但它们可能无法提供与成熟的 C++ GUI 框架（如 Qt 或 wxWidgets）相同级别的功能和完善度。
• （在某些领域）较小的生态系统： 尽管 Rust 的生态系统正在迅速发展，但在某些领域，它仍然比 C++ 的生态系统小，特别是在游戏开发库或专门的科学计算工具等领域。
• 编译时间： 虽然 Rust 的增量构建通常很快，但完全构建有时可能比类似的 C++ 项目慢，具体取决于项目的复杂性和宏的使用情况。

用例：每种语言的优势

Rust 非常适合：

• 系统编程： 创建操作系统、设备驱动程序和嵌入式系统，其中安全性和性能至关重要。
• WebAssembly (Wasm)： 将代码编译为浏览器，利用 Rust 的安全性和性能进行 Web 应用程序。
• 安全关键型应用程序： 其中内存安全和防止漏洞至关重要。
• 并发密集型应用程序： 开发高度并发的系统，并提高信心。
• 区块链和金融科技: 建立安全可靠的金融应用程序。

C++ 仍然是以下方面的强大选择：

• 游戏开发： 现代游戏，尤其是 3A 级游戏的性能需求通常需要 C++ 的细粒度控制。
• 高性能计算 (HPC)： 科学模拟、数据分析和要求苛刻的任务。
• 遗留系统： 维护和扩展现有的 C++ 代码库。
• 操作系统： 许多当前的操作系统都是用 C++ 编写的，它仍然是操作系统开发的主要语言。
• 具有大型现有库的应用程序： 当开发速度是优先考虑因素时，C++ 广泛的库是理想的选择。

未来：共存与演变

Rust 和 C++ 可能会共存。C++ 庞大的代码库和在性能关键领域的应用确保了它的持续相关性。然而，Rust 在内存安全和并发性至关重要的领域正在取得进展。在某些领域，尤其是在安全性至上的新项目中，可能会逐渐转向 Rust。

结论：选择合适的工具

Rust 和 C++ 之间的选择取决于您的项目的优先级。Rust 提供了一种现代的、安全优先的方法，使其成为重视内存安全、并发性和精简开发体验的开发者的理想选择。C++ 凭借其无与伦比的性能和细粒度控制，仍然是原始速度和遗留兼容性至关重要的场景的首选。两种语言本身都很强大，最佳选择取决于您要解决的问题。在某些情况下，利用两者的互操作性甚至可以为您提供两全其美的优势。归根结底，这是为工作选择合适的工具——Rust 和 C++ 都有很多可提供的。