Rust 與 C++ 混合程式設計跨語言互動

Rust 和 C++ 混合程式設計日益普及，特別在效能敏感的應用和整合既有 C++ 程式碼函式庫時。本文探討如何有效地結合 Rust 和 C++，涵蓋字串處理、資料結構交換和陣列操作等導向。理解 Rust 的所有權系統和 C++ 的物件生命週期對於無縫整合至關重要。我們將探討如何利用外部函式介面（FFI）和適當的資料轉換技術來橋接兩種語言，同時也將關注錯誤處理和例外安全，確保跨語言互動的穩固性。此外，文章也將探討 Rust 在嵌入式系統的應用，以 Arduino Uno 為例，展示 Rust 如何操控硬體和與 C 程式碼互動。

Rust 與 C++ 混合程式設計：跨語言互動的實踐與挑戰

字串處理的跨語言互動

在 Rust 與 C++ 的混合程式設計中，字串處理是常見的需求。Rust 提供了豐富的字串處理功能，而 C++ 則有其自身的字串處理機制。為了實作兩者之間的互動，我們需要建立一個橋樑來促進字串資料的交換。

Rust 端實作

首先，我們在 Rust 中定義一個函式 process_string，該函式接收一個 C 風格的字串指標，處理該字串（在這個例子中是反轉字串），並傳回處理後的字串。

// File: lib.rs
use std::ffi::{CString, CStr};
use std::os::raw::c_char;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn process_string(input: *const c_char) -> *mut c_char {
    let c_str = unsafe { CStr::from_ptr(input) };
    let string = c_str.to_str().unwrap().chars().rev().collect::<String>();
    CString::new(string).unwrap().into_raw()
}

內容解密：

1. CStr::from_ptr(input)：將 C 風格的字串指標轉換為 Rust 的 CStr 型別。
2. to_str().unwrap()：將 CStr 轉換為 Rust 的 &str 型別。
3. chars().rev().collect::<String>()：反轉字串。
4. CString::new(string).unwrap().into_raw()：將 Rust 的 String 轉換為 C 風格的字串並傳回其指標。

C++ 端呼叫

接著，我們在 C++ 中呼叫 Rust 的 process_string 函式。

// File: main.cpp
#include <iostream>
#include <cstring>

extern "C" {
    char* process_string(const char* input);
}

int main() {
    const char* input = "Hello, Rust!";
    char* processed_string = process_string(input);
    std::cout << "Original string: " << input << std::endl;
    std::cout << "Processed string: " << processed_string << std::endl;
    return 0;
}

資料結構的跨語言傳遞

傳遞資料結構（如結構體）是跨語言互動的另一個重要方面。為了確保相容性，我們需要在 Rust 和 C++ 中定義相同的資料結構。

Rust 端定義結構體

// File: lib.rs
use std::os::raw::c_int;

#[repr(C)]
pub struct MyStruct {
    pub x: c_int,
    pub y: c_int,
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn process_struct(input: MyStruct) -> c_int {
    input.x + input.y
}

內容解密：

1. #[repr(C)]：確保 Rust 結構體在記憶體中的佈局與 C 結構體相容。
2. process_struct：接收 MyStruct 例項並傳回其成員變數的和。

C++ 端使用結構體

// File: main.cpp
#include <iostream>

extern "C" {
    struct MyStruct {
        int x;
        int y;
    };
    int process_struct(MyStruct input);
}

int main() {
    MyStruct input = {3, 5};
    int result = process_struct(input);
    std::cout << "Result of processing struct: " << result << std::endl;
    return 0;
}

陣列的跨語言傳遞

傳遞陣列是另一個常見的需求。我們需要在 Rust 和 C++ 之間交換連續的記憶體區塊。

Rust 端處理陣列

// File: lib.rs
use std::os::raw::c_int;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn process_array(input: *const c_int, len: usize) -> c_int {
    let slice = unsafe { std::slice::from_raw_parts(input, len) };
    slice.iter().sum::<c_int>()
}

內容解密：

1. std::slice::from_raw_parts(input, len)：將 C 風格的陣列指標和長度轉換為 Rust 的切片。
2. slice.iter().sum::<c_int>()：計算陣列元素的和。

C++ 端呼叫處理陣列的函式

// File: main.cpp
#include <iostream>

extern "C" {
    int process_array(const int* input, size_t len);
}

int main() {
    const int input[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    size_t len = sizeof(input) / sizeof(input[0]);
    int result = process_array(input, len);
    std::cout << "Result of processing array: " << result << std::endl;
    return 0;
}

錯誤處理與例外安全

跨語言互動中的錯誤處理至關重要。Rust 使用 Result 型別進行錯誤處理，而 C++ 則常使用案例外。

Rust 端錯誤處理

// File: lib.rs
use std::os::raw::c_int;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn safe_divide(dividend: c_int, divisor: c_int) -> Result<c_int, &'static str> {
    if divisor == 0 {
        Err("Division by zero is not allowed")
    } else {
        Ok(dividend / divisor)
    }
}

C++ 端捕捉例外

// File: main.cpp
#include <iostream>
#include <stdexcept>

extern "C" {
    int safe_divide(int dividend, int divisor);
}

int main() {
    try {
        int result = safe_divide(10, 2);
        std::cout << "Result of safe division: " << result << std::endl;
    } catch (const std::exception& ex) {
        std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

在Rust中實作嵌入式程式設計：以Arduino Uno為例

簡介

本章將探討Rust在嵌入式系統中的應用，特別是在Arduino Uno開發板上的實踐。透過探索嵌入式系統的基礎，我們將瞭解程式設計微控制器和與硬體周邊介面的基本概念。利用AVR-Rust工具鏈和硬體抽象層（HAL），我們將掌握如何為Atmel AVR微控制器撰寫高效、可靠的嵌入式Rust程式碼。讓我們一起探索Rust在嵌入式應用中的潛力，從Arduino Uno開始。

本章涵蓋以下主題

• 嵌入式程式設計簡介
• 微控制器
• 硬體抽象層

Rust與C語言的互操作性例項分析

在探討嵌入式Rust之前，我們先來分析Rust與C語言之間的互操作性。以下是一個使用Rust建立C介面函式庫的例項：

Rust程式碼範例

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: c_int, b: c_int) -> c_int {
    a + b
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn subtract(a: c_int, b: c_int) -> c_int {
    a - b
}

C語言呼叫Rust函式

// File: main.c
#include <stdio.h>

extern int add(int a, int b);
extern int subtract(int a, int b);

int main() {
    int result_add = add(5, 3);
    int result_subtract = subtract(10, 4);
    
    printf("Result of addition: %d\n", result_add);
    printf("Result of subtraction: %d\n", result_subtract);

    return 0;
}

內容解密：

1. #[no_mangle]屬性確保Rust編譯器不會對函式名稱進行修飾，以便C語言能夠正確呼叫這些函式。
2. extern "C"關鍵字宣告了函式應使用C語言的呼叫慣例，使得Rust函式能夠被C語言程式碼呼叫。
3. 在C語言程式碼中，使用extern關鍵字宣告Rust函式，使其能夠在C程式中被呼叫。
4. 透過這種方式，Rust與C語言之間實作了無縫的互操作性，使得開發者能夠在不同語言之間分享程式碼和功能。

重點回顧

• extern關鍵字在Rust中用於暴露函式給其他語言，建立互操作性。
• Rust使用Result型別進行錯誤處理，而C++則依賴異常，需要在跨語言整合中謹慎考慮。
• 使用extern "C"修飾符在Rust中建立C相容介面，確保一致的命名和呼叫慣例。
• 字串資料在Rust和C++之間透過C相容表示法（如Rust的CString型別和C++中的C樣式字串）進行交換。
• 結構體可以透過對齊記憶體表示法在Rust和C++之間傳遞，通常透過Rust中的repr(C)屬性實作。

問題與討論

1. Rust的FFI中，extern關鍵字的作用是什麼？
2. Rust如何處理字串在Rust和C++之間的傳遞？
3. #[no_mangle]屬性在Rust FFI中的意義是什麼？
4. 在Rust中，如何處理與其他語言介面時的錯誤，通常使用什麼型別？
5. 舉例說明如何從C++呼叫Rust函式。
6. 為什麼在FFI中傳遞資料（如字串和陣列）時，正確的記憶體管理至關重要？
7. repr(C)屬性在Rust中的目的是什麼，在FFI中通常用於哪裡？
8. 描述建立Rust函式庫的C介面的步驟，提供Rust和C程式碼範例。
9. Rust如何處理異常安全性，C++如何捕捉Rust函式丟出的異常？
10. 在傳遞結構體的背景下，解釋Rust和C++之間的互操作性概念。

下一章，我們將學習如何使用Rust進行嵌入式應用開發，特別是在開發板上執行Rust程式碼。敬請期待！

嵌入式系統開發與Rust程式語言

嵌入式程式設計簡介

嵌入式程式設計是電腦程式設計的一個專門領域，專注於設計和撰寫嵌入式系統的程式碼。這些系統是專門的計算裝置，用於在較大的系統或產品中執行特定的功能。嵌入式系統的例子包括家電、汽車系統、工業機器和電子裝置中的微控制器。

嵌入式系統通常由三個主要元件組成：

1. 微控制器/微處理器：這是嵌入式系統的核心處理單元，包含CPU核心、記憶體（RAM和ROM）以及各種周邊裝置，如計時器、通訊介面（UART、SPI、I2C）和類別比數位轉換器（ADC）。
2. 感測器和執行器：這些是與外部環境互動的裝置。感測器檢測物理或環境條件（如溫度、壓力、光線）並將其轉換為電訊號，而執行器接收電訊號並執行動作，如移動、加熱或發訊號。
3. 韌體/軟體：這是在微控制器上執行的程式碼，控制其行為。它負責管理來自感測器的輸入、處理資料並控制對執行器的輸出。

嵌入式系統的特性

嵌入式系統具有多個與通用計算系統不同的獨特特性：

• 即時約束：許多嵌入式系統在即時環境中執行，任務必須在嚴格的時間限制內完成。例如，在汽車防鎖死煞車系統中，系統必須在毫秒內對車輪速度變化做出反應，以防止打滑。
• 資源限制：嵌入式系統通常在記憶體、處理能力和能耗方面有資源限制。開發人員必須最佳化程式碼，以有效利用可用資源。
• 專用功能：嵌入式系統是為特定任務設計的，具有針對其預期應用量身定做的專用功能。這與能夠執行廣泛軟體的通用電腦形成對比。

嵌入式系統的例子

嵌入式系統在各個行業中發揮著至關重要的作用，使各種裝置和裝置實作自動化、控制和監控功能。這些系統旨在高效可靠地執行特定任務，通常在即時環境中。讓我們來探討一些常見的嵌入式系統例子：

• 汽車系統：嵌入式系統廣泛應用於汽車中，用於引擎管理、變速箱控制、防鎖死煞車和氣囊佈署等任務。這些系統確保了車輛乘員的最佳效能、安全性和舒適度。
• 消費性電子產品：許多日常裝置依賴嵌入式系統執行，包括智慧手機、數位相機、微波爐和冰箱等家電，以及健身追蹤器和智慧手錶等可穿戴裝置。消費性電子產品中的嵌入式系統實作了使用者介面、連線性和感測器資料處理等功能。
• 工業自動化：在工業環境中，嵌入式系統對於製造廠、發電廠和基礎設施系統中的自動化和控制至關重要。這些系統管理流程、監控裝置狀態並收集資料進行分析，從而提高工業營運的效率和生產力。

嵌入式程式語言的例子

程式語言的選擇在嵌入式開發中扮演著重要角色，需要考慮效能、資源利用率和開發便捷性等因素。幾種語言常用於嵌入式程式設計：

#### 常見的嵌入式程式語言
- **C/C++**：傳統上，C和C++因其效率和對硬體的底層控制而受到青睞。它們允許直接操作記憶體和暫存器，使其適合資源受限的環境。
- **組合語言**：在需要對硬體進行精細控制或最佳化效能的情況下，開發人員可能會選擇直接用組合語言編寫程式碼。組合語言指令與機器碼密切相關，提供對硬體資源的精確控制。
- **Rust**：Rust因其記憶體安全保證、高層抽象和底層控制而在嵌入式開發中日益流行。它提供了效能和安全性之間的平衡，使其適合開發可靠和安全的嵌入式系統。Rust支援LLVM所支援的幾乎所有架構，雖然目前也支援GCC目標，但尚未成熟。

微控制器

微控制器是嵌入式系統的核心元件，作為裝置的大腦。它們是專門設計用於執行特定任務並與系統周邊裝置互動的整合電路。在本文中，我們將討論微控制器的關鍵方面，包括其架構、周邊裝置和常見功能。

微控制器架構

微控制器的架構設計旨在滿足特定應用的需求，通常包括以下元件：

• CPU核心：執行指令的核心處理單元。
• 記憶體：包括RAM（用於暫時資料儲存）和ROM或快閃記憶體（用於儲存程式碼）。
• 周邊裝置：如計時器、通訊介面（UART、SPI、I2C）、類別比數位轉換器（ADC）和數位類別比轉換器（DAC）等。

// 使用Rust語言操作微控制器的簡單範例
// 假設使用AVR-Rust工具鏈針對Arduino Uno開發板
use avr_device::prelude::*;

fn main() {
    // 初始化Arduino Uno開發板上的LED燈對應的腳位為輸出模式
    let dp = avr_device::ATmega328P::new();
    let mut portb = dp.PORTB.split().unwrap();
    let mut led = portb.pb5.into_output(&mut portb.ddr);

    // 無限迴圈，閃爍LED燈
    loop {
        led.set_high(); // 點亮LED
        delay_ms(1000); // 延遲1秒
        led.set_low(); // 熄滅LED
        delay_ms(1000); // 延遲1秒
    }
}

// 簡單的毫秒延遲函式實作
fn delay_ms(ms: u16) {
    for _ in 0..ms {
        // 假設Arduino Uno使用16MHz時鐘，此迴圈大約延遲1毫秒
        for _ in 0..16000 {
            avr_device::asm::nop();
        }
    }
}

程式碼解析：

1. use avr_device::prelude::*;：引入AVR裝置的相關trait和型別。
2. let dp = avr_device::ATmega328P::new();：初始化ATmega328P微控制器，這是Arduino Uno所使用的微控制器。
3. let mut portb = dp.PORTB.split().unwrap();：取得PORTB並將其分割以便設定個別腳位的方向。
4. let mut led = portb.pb5.into_output(&mut portb.ddr);：將PB5腳位設定為輸出模式，並將其繫結到led變數，用於控制LED燈。
5. loop { ... }：無限迴圈，用於持續閃爍LED燈。
6. led.set_high(); 和 led.set_low();：分別用於點亮和熄滅LED燈。
7. delay_ms(1000);：呼叫延遲函式，使LED燈保持點亮或熄滅狀態1秒。

本範例展示瞭如何使用Rust語言操作Arduino Uno開發板上的LED燈，透過直接與微控制器硬體互動實作簡單的閃燈功能。這種低階控制能力是嵌入式系統開發的一個重要方面。