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RFE 006: 工程师（粗）Rust入门之大胆尝试Unsafe

什么是Unsafe？

为什么前脚我激进到不要用mut，后脚又要提unsafe？其实这是两个不同的概念。

因为mut关键字引入了可变性，而可变性是值编程范式的反面。我的理解是如果要真正简单的编程概念入门，比如教小龙入门Rust，我们先不要搞什么可写变量。因为，所有的复杂情况基本上都来自于可变性。

  • 仅仅读变量：始终是安全的，可以多处读，都没问题；
  • 单写变量：也可以是安全的，只要没有读操作；
  • 读写变量：就会形成竞争关系，需要复杂的规则来保证安全性。

但是，Rust的unsafe就只是一个“信任我，我知道自己在干什么”的标记。它并不一定意味着可变性。

实际上，为什么要需要unsafe？其实还是因为Rust在跟C/C++打交道的方面做得特别出色。这是一个聪明的策略，在我看来。

特别是，小龙和我想要做的是用Rust来写工程中的计算程序（基本上是Formulas Translation，Fortran）的射程。而这类计算程序，都常常需要调用一些真的Fortran或者C/C++的数值计算库。要想调用这些库，Rust就必须要有一个和C/C++互操作的能力。

而，Rust的互操作能力，基本上就需要unsafe。因为C/C++的内存模型和Rust的内存模型是不一样的。Rust无法保证从C/C++传过来的指针是安全的，所以必须要用unsafe来标记这些操作。

大胆尝试Unsafe来调用库

调库调库，Python为什么这么流行，是因为Python把Unix/Linux下的各种C库都能调用起来了，成为一个强大的系统库前端语言。

那么Rust调用ABI兼容的C库，实际上也是类似的思路。

例子：调用gsl

GNU科学库（GSL）是一个用C语言编写的数值计算库，提供了丰富的数学函数和算法。我们可以通过Rust的unsafe代码来调用GSL的函数。

首先，我们需要在Rust项目中添加gsl库的依赖。然后，我们可以使用extern块来声明我们要调用的GSL函数。

 1#[link(name = "gsl")]
 2#[link(name = "gslcblas")]
 3unsafe extern "C" {
 4    fn gsl_sf_bessel_J0(x: f64) -> f64;
 5}
 6
 7fn main() {
 8    let x = 5.0;
 9
10    let result = unsafe { gsl_sf_bessel_J0(x) };
11
12    println!("GSL Bessel J0({}) = {}", x, result);
13}

在这个例子中，我们使用extern "C"块来声明GSL的gsl_sf_bessel_J0函数。然后，在unsafe块中调用这个函数，并将结果打印出来。

1rustc gsl-go.rs
2./gsl-go
3J0(5.0) = -0.1775967713143383

真的就是这么简单！

当然，还得安装GSL

我们当然需要先安装GSL库。可以通过包管理器安装，例如在WSL/Ubuntu上：

1sudo apt-get install libgsl-dev

这就完成了GSL库的安装。

Wrapper

当然，我们一般而言，还会继续封装一层Rust的安全接口，来调用这些unsafe代码。这样可以让我们的Rust代码更加安全和易用。

1fn bessel_j0(x: f64) -> f64 {
2    unsafe { gsl_sf_bessel_J0(x) }
3}

那么有人就要问了，包来包去，会不会效率下降？当然会有效率的损失，但是怎么损失也到不了Python调用C库那么严重。所以，这个损失是可以接受的。

我实际上还做了一个带哦用100万次GSL Bessel函数的基准测试，发现Rust调用GSL的效跟C直接调用GSL的效率差不多，在用上面的代码包一层的情况下大概只有2~3%左右的损失。

链接选项

当然，还有要给需要解释的问题就是#[link(name = "gsl")]这个属性。它的意思是告诉Rust编译器在链接阶段要链接GSL库。这就类似于C/C++中的-lgsl选项。这样，Rust编译器才能找到GSL库的实现。

当然Rust的这个宏属性还提供链接为动态库还是静态库的选项，可以参考Rust的官方文档。

1#[link(name = "gsl", kind = "dylib")] // 动态库
2// 或者
3#[link(name = "gsl", kind = "static")] // 静态库

静态库最后生成的可执行文件会比较大一些，但是运行时不需要依赖外部的动态库文件。动态库则相反。

个人偏见

当然，我们也可以用纯Rust的数值计算库，比如nalgebra，ndarray，rust-gsl等。但是，我个人对库的性能和成熟度还是比较怀疑的。就比如说Python的Scipy中的Bessel函数，在计算方法上跟GSL比较起来，还有一丢丢的精度差别。

所以，我个人还是倾向于直接调用成熟的C/C++数值计算库，来保证自己可以偷懒。

下面，小龙只需要再整几个容器，就能完成所有的工程计算任务了。

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