El concepto de Ownership en Rust

En el post anterior dijimos "Rust logra esto modelando la propiedad o ownership explícitamente." Peeero no explique que es esto de la propiedad o ownership. 

Todos los enlaces de variables tienen un alcance donde son válidos y es un error usar una variable fuera de su alcance, por ejemplo :

struct Point(i32, i32);

fn main() {

    {

        let p = Point(3, 4);

        println!("x: {}", p.0);

    }

    println!("y: {}", p.1);

}

Si corremos este programa: 

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

error[E0425]: cannot find value `p` in this scope

 --> src/main.rs:8:23

  |

8 |     println!("y: {}", p.1);

  |                       ^ not found in this scope

For more information about this error, try `rustc --explain E0425`.

error: could not compile `hello_cargo` due to previous error

• Al final del alcance, la variable se elimina y los datos se liberan.
• Un destructor puede correr aquí para liberar recursos.
• Decimos que la variable posee el valor.

Una asignación transferirá la propiedad entre las variables:

fn main() {

    let s1: String = String::from("Hello!");

    let s2: String = s1;

    println!("s2: {s2}");

    // println!("s1: {s1}");

}

Si corremos este programa funcionará : 

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.40s

     Running `target/debug/hello_cargo`

s2: Hello!

Pero si descomentamos esta linea // println!("s1: {s1}"); . Nos lanzará un error: 

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

error[E0382]: borrow of moved value: `s1`

 --> src/main.rs:5:20

  |

2 |     let s1: String = String::from("Hello!");

  |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait

3 |     let s2: String = s1;

  |                      -- value moved here

4 |     println!("s2: {s2}");

5 |     println!("s1: {s1}");

  |                    ^^ value borrowed here after move

  |

  = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.

error: could not compile `hello_cargo` due to previous error

Que paso?

• La asignación de s1 a s2 transfiere la propiedad.
• Los datos se movieron de s1 y ya no se puede acceder a s1.
• Cuando s1 sale del alcance, no pasa nada: no tiene propiedad.
• Cuando s2 sale del alcance, los datos de la cadena se liberan.
• Siempre hay exactamente un enlace de variable que posee un valor.

Esto es lo opuesto a los valores predeterminados en C++, que se copia por valor a menos que use std::move (¡y el constructor de movimiento o copia está definido!).

En Rust, la clonación de valores son explícitos (usando clon).

Mover Strings en Rust

 

fn main() {

    let s1: String = String::from("Rust");

    let s2: String = s1;

}

Los datos del heap de s1 se reutilizan para s2.

Cuando s1 sale del alcance, no sucede nada (se ha movido).

Antes de mover a s2:

Después de mover a s2:

Comparación de Gestión de memoria con Rust

Siguiendo con el post anterior. Una comparación aproximada de las técnicas de administración de memoria.

Ventajas de las diferentes técnicas de gestión de la memoria

• Manual como C:
• Sin sobrecarga de tiempo de ejecución.
• Automático como Java:
• Completamente automático.
• Seguro y correcto.
• Basado en el alcance como C++:
• Parcialmente automático.
• Sin sobrecarga de tiempo de ejecución.
• Basado en el alcance aplicado por el compilador como Rust:
• Aplicado por el compilador.
• Sin sobrecarga de tiempo de ejecución.
• Seguro y correcto.

Contras de las diferentes técnicas de gestión de memoria

• Manual como C:
• Use-After-Free
• Liberaciones dobles.
• Pérdidas de memoria en caso de error.
• Automático como Java:
• Las pausas del recolector de basura.
• Retrasos en la liberación de memoria.
• Basado en el alcance como C++:
• Complejo, opt-in por el programador.
• Potencial Use-After-Free
• Reforzado por el compilador y basado en el alcance como Rust:
• Cierta complejidad inicial.
• Puede rechazar programas válidos.

Use-After-Free (UAF) es una vulnerabilidad relacionada con el uso incorrecto de la memoria dinámica durante la operación del programa. Si después de liberar una ubicación de memoria, un programa no borra el puntero a esa memoria, un atacante puede usar el error para piratear el programa.

Manejo de memoria en Rust

 

Tradicionalmente, los Lenguajes se han dividido en dos grandes categorías:

• Control total a través de la gestión manual de la memoria: C, C++, Pascal, …
• Seguridad total a través de la gestión automática de la memoria en tiempo de ejecución: Java, Python, Go, Haskell, …

Rust ofrece una nueva mezcla:

Control total y seguridad a través de la aplicación en tiempo de compilación de la gestión correcta de la memoria.

Lo hace con un concepto de propiedad explícito.

Primero, actualicemos cómo funciona la administración de memoria.

Stack: 

• Área continua de memoria para variables locales.
• Los valores tienen tamaños fijos conocidos en tiempo de compilación.
• Extremadamente rápido: simplemente mueva un puntero de pila.
• Fácil de administrar: sigue las llamadas de función.
• Gran recuerdo localidad.

Heap o monticulo : 

• almacenamiento de valores fuera de las llamadas a funciones.
• Los valores tienen tamaños dinámicos determinados en tiempo de ejecución.
• Ligeramente más lento que la pila: se necesita algo de contabilidad.
• No hay garantía de localidad de memoria.

La creación de una cadena coloca datos de tamaño fijo en la pila o stack y datos de tamaño dinámico en el monticulo o Heap :

fn main() {

    let s1 = String::from("Hello");

}

Un String está respaldado por un Vec, por lo que tiene una capacidad y longitud y puede crecer si es mutable a través de la reasignación en el Heap.

Podemos inspeccionar el diseño de la memoria con código inseguro. Sin embargo, debe señalar que esto es legítimamente inseguro.

fn main() {

    let mut s1 = String::from("Hello");

    s1.push(' ');

    s1.push_str("world");

    

    unsafe {

        let (capacity, ptr, len): (usize, usize, usize) = std::mem::transmute(s1);

        println!("ptr = {ptr:#x}, len = {len}, capacity = {capacity}");

    }

}

Veamos como son las formas que tienen de gestionar la memoria los lenguajes: 

Gestión de memoria manual

Usted mismo asigna y desasigna la memoria del heap. Se llama Gestión de memoria manual

Si no se hace con cuidado, esto puede provocar bloqueos, errores, vulnerabilidades de seguridad y pérdidas de memoria.

Ejemplo C, debe llamar a  free cada vez que asigno un puntero con malloc:

void foo(size_t n) {

    int* int_array = malloc(n * sizeof(int));

    //

    // ... lots of code

    //

    free(int_array);

}

Si la función termina entre malloc y free: el puntero se pierde y no podemos desasignar la memoria. Esto es un Memory leaked. 

Administración de memoria basada en alcance o ámbito

Los constructores y destructores te permiten engancharte a la vida útil de un objeto.

Al envolver un puntero en un objeto, puede liberar memoria cuando se destruye el objeto. El compilador garantiza que esto suceda, incluso si se genera una excepción.

Esto a menudo se denomina adquisición de recursos es inicialización (RAII) y le brinda indicadores inteligentes.

Un ejemplo de C++

void say_hello(std::unique_ptr<Person> person) {

  std::cout << "Hello " << person->name << std::endl;

}

• El objeto std::unique_ptr se asigna en la pila y apunta a la memoria asignada en el heap.
• Al final de say_hello, se ejecutará el destructor std::unique_ptr.
• El destructor libera el objeto Person al que apunta.

Los constructores de movimientos especiales se usan cuando se pasa la propiedad a una función:

std::unique_ptr<Person> person = find_person("Carla");

say_hello(std::move(person));

Gestión automática de memoria

Una alternativa a la gestión de memoria manual y basada en el ámbito es la gestión de memoria automática:

• El programador nunca asigna o desasigna memoria explícitamente.
• Un recolector de basura encuentra memoria no utilizada y la desasigna para el programador.

Ejemplo Java, el objeto persona no se desasigna después de que sayHello devuelve:

void sayHello(Person person) {

  System.out.println("Hello " + person.getName());

}

Gestión de memoria en Rust

La gestión de la memoria en Rust es una combinación:

• Seguro y correcto como Java, pero sin un recolector de basura.
• Según la abstracción (o combinación de abstracciones) que elija, puede ser un único puntero único, referencia contada o atómicamente referencia contada.
• Basado en el alcance como C++, pero el compilador impone una adherencia total.
• Un usuario de Rust puede elegir la abstracción correcta para la situación, algunos incluso no tienen costo en tiempo de ejecución como C.

Rust logra esto modelando la propiedad o ownership explícitamente.

Ámbitos y sombreado

En la programación informática, el sombreado de variables o  variable shadowing se produce cuando una variable declarada dentro de un determinado ámbito (bloque de decisión, método o clase interna) tiene el mismo nombre que una variable declarada en un ámbito externo.

veamos esto en rust :

fn main() {

    let a = 10;

    println!("before: {a}");

    {

        let a = "hello";

        println!("inner scope: {a}");

        let a = true;

        println!("shadowed in inner scope: {a}");

    }

    println!("after: {a}");

}

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.32s

     Running `target/debug/hello_cargo`

before: 10

inner scope: hello

shadowed in inner scope: true

after: 10

Definición: El sombreado es diferente de la mutación, porque después del sombreado, las ubicaciones de memoria de ambas variables existen al mismo tiempo. Ambos están disponibles con el mismo nombre, dependiendo de dónde lo use en el código.

Una variable de sombreado puede tener un tipo diferente.

El sombreado parece oscuro al principio, pero es conveniente para mantener los valores después de .unwrap().

El siguiente código demuestra por qué el compilador no puede simplemente reutilizar ubicaciones de memoria cuando oculta una variable inmutable en un ámbito, incluso si el tipo no cambia.

fn main() {

    let a = 1;

    let b = &a;

    let a = a + 1;

    println!("{a} {b}");

}

Variables estáticas y constantes en Rust

Se puede declarar constantes en tiempo de compilación:

const DIGEST_SIZE: usize = 3;

const ZERO: Option<u8> = Some(42);

fn compute_digest(text: &str) -> [u8; DIGEST_SIZE] {

    let mut digest = [ZERO.unwrap_or(0); DIGEST_SIZE];

    for (idx, &b) in text.as_bytes().iter().enumerate() {

        digest[idx % DIGEST_SIZE] = digest[idx % DIGEST_SIZE].wrapping_add(b);

    }

    digest

}

fn main() {

    let digest = compute_digest("Hello");

    println!("Digest: {digest:?}");

}

De acuerdo con Rust RFC Book, estos se insertan en el momento del uso.

También puede declarar variables estáticas:

static BANNER: &str = "Welcome to RustOS 3.14";

fn main() {

    println!("{BANNER}");

}

Rust RFCs - RFC Book - Active RFC List

El proceso "RFC" (solicitud de comentarios) tiene como objetivo proporcionar una ruta coherente y controlada para los cambios en Rust (como nuevas funciones) para que todas las partes interesadas puedan confiar en la dirección del proyecto.

Muchos cambios, incluidas las correcciones de errores y las mejoras de la documentación, se pueden implementar y revisar a través del flujo de trabajo de solicitud de extracción normal de GitHub.

Sin embargo, algunos cambios son "sustanciales", y pedimos que se sometan a un pequeño proceso de diseño y produzcan un consenso entre la comunidad de Rust y los subequipos.

Si queremos solicitar un cambio o revisar los cambios existentes podemos hacerlo revisando esta documentación: https://rust-lang.github.io/rfcs/introduction.html

Rust: Variables

Rust proporciona seguridad de tipos a través de tipos estáticos. Los enlaces de variables son inmutables de forma predeterminada:

fn main() {

    let x: i32 = 10;

    println!("x: {x}");

    // x = 20;

    // println!("x: {x}");

}

Rust verá cómo se usa la variable para determinar el tipo:

fn takes_u32(x: u32) {

    println!("u32: {x}");

}

fn takes_i8(y: i8) {

    println!("i8: {y}");

}

fn main() {

    let x = 10;

    let y = 20;

    takes_u32(x);

    takes_i8(y);

    // takes_u32(y);

}

cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.30s

     Running `target/debug/hello_cargo`

u32: 10

i8: 20

Pero eso no significa que se descuide el tipado estatico, si corremos el programa anterior descomentando la linea "    // takes_u32(y); " obtendremos: 

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

error[E0308]: mismatched types

  --> src/main.rs:15:15

   |

15 |     takes_u32(y);

   |     --------- ^ expected `u32`, found `i8`

   |     |

   |     arguments to this function are incorrect

   |

note: function defined here

  --> src/main.rs:1:4

   |

1  | fn takes_u32(x: u32) {

   |    ^^^^^^^^^ ------

help: you can convert an `i8` to a `u32` and panic if the converted value doesn't fit

   |

15 |     takes_u32(y.try_into().unwrap());

   |                ++++++++++++++++++++

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.

error: could not compile `hello_cargo` due to previous error

Es muy importante enfatizar que las variables declaradas así no son de algún tipo de dinámica "cualquier tipo" que pueda contener cualquier dato. El código máquina generado por tal declaración es idéntico a la declaración explícita de un tipo. El compilador hace el trabajo por nosotros y nos ayuda a escribir código más conciso.

El siguiente código le dice al compilador que copie en un determinado contenedor genérico sin que el código especifique explícitamente el tipo contenido, usando _ como marcador de posición:

fn main() {

    let mut v = Vec::new();

    v.push((10, false));

    v.push((20, true));

    println!("v: {v:?}");

    let vv = v.iter().collect::<std::collections::HashSet<_>>();

    println!("vv: {vv:?}");

}

collect se basa en FromIterator, que implementa HashSet.

Vectores y bucles for en Rust

Vimos que una vector se puede declarar así:

let array = [10, 20, 30];

Puede imprimir una matriz con {:?}:

fn main() {

    let array = [10, 20, 30];

    println!("array: {array:?}");

}

Rust te permite iterar cosas como arreglos y rangos usando la palabra clave for:

fn main() {

    let array = [10, 20, 30];

    print!("Iterating over array:");

    for n in array {

        print!(" {n}");

    }

    println!();

    print!("Iterating over range:");

    for i in 0..3 {

        print!(" {}", array[i]);

    }

    println!();

}

Métodos en Rust

Los métodos son funciones asociadas a un tipo. El argumento self de un método es una instancia del tipo al que está asociado:

struct Rectangle {

    width: u32,

    height: u32,

}

impl Rectangle {

    fn area(&self) -> u32 {

        self.width * self.height

    }

    fn inc_width(&mut self, delta: u32) {

        self.width += delta;

    }

}

fn main() {

    let mut rect = Rectangle { width: 10, height: 5 };

    println!("old area: {}", rect.area());

    rect.inc_width(5);

    println!("new area: {}", rect.area());

}

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0

   Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.28s

     Running `target/debug/hello_cargo`

old area: 50

new area: 75

Podemos definir un constructor : 

struct Rectangle {

    width: u32,

    height: u32,

}

impl Rectangle {

    fn new(width: u32, height: u32) -> Rectangle {

        Rectangle { width, height }

    }

    fn area(&self) -> u32 {

        self.width * self.height

    }

    fn inc_width(&mut self, delta: u32) {

        self.width += delta;

    }

}

fn main() {

    let mut rect = Rectangle::new(10, 5);

    println!("old area: {}", rect.area());

    rect.inc_width(5);

    println!("new area: {}", rect.area());

}

Rust: Conversiones implícitas

Rust no aplicará automáticamente conversiones implícitas entre tipos (a diferencia de C++). Puedes ver esto en un programa como este:

fn multiply(x: i16, y: i16) -> i16 {

    x * y

}

fn main() {

    let x: i8 = 15;

    let y: i16 = 1000;

    println!("{x} * {y} = {}", multiply(x, y));

}

Si corremos este código: 

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

error[E0308]: mismatched types

 --> src/main.rs:9:41

  |

9 |     println!("{x} * {y} = {}", multiply(x, y));

  |                                -------- ^ expected `i16`, found `i8`

  |                                |

  |                                arguments to this function are incorrect

  |

note: function defined here

 --> src/main.rs:1:4

  |

1 | fn multiply(x: i16, y: i16) -> i16 {

  |    ^^^^^^^^ ------

help: you can convert an `i8` to an `i16`

  |

9 |     println!("{x} * {y} = {}", multiply(x.into(), y));

  |                                          +++++++

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.

error: could not compile `hello_cargo` due to previous error

Vamos a hacerle caso y vamos a correr : rustc --explain E0308

El tipo esperado no coincide con el tipo recibido.

Ejemplos de código erróneo:

``

fn plus_one(x: i32) -> i32 {

    x + 1

}

plus_one("Not a number");

//       ^^^^^^^^^^^^^^ expected `i32`, found `&str`

if "Not a bool" {

// ^^^^^^^^^^^^ expected `bool`, found `&str`

}

let x: f32 = "Not a float";

//     ---   ^^^^^^^^^^^^^ expected `f32`, found `&str`

//     |

//     expected due to this

```

Este error ocurre cuando se usó una expresión en un lugar donde el compilador esperaba una expresión de un tipo diferente. Puede ocurrir en varios casos, siendo el más común cuando se llama a una función y se pasa un argumento que tiene un tipo diferente al tipo coincidente en la declaración de la función.

Genial! no cambio el tipo de forma implicita. 

Todos los tipos enteros de Rust implementan las características From<T> e Into<T> para permitirnos convertir entre ellos. El rasgo From<T> tiene un solo método from() y, de manera similar, el rasgo Into<T> tiene un solo método into(). La implementación de estos rasgos es la forma en que un tipo expresa que se puede convertir en otro tipo.

La biblioteca estándar tiene una implementación de From<i8> para i16, lo que significa que podemos convertir una variable x de tipo i8 en i16 llamando a i16::from(x). O, más simple, con x.into(), porque From<i8> para la implementación de i16 crea automáticamente una implementación de Into<i16> para i8.

Lo mismo se aplica a sus propias implementaciones From para sus propios tipos, por lo que es suficiente implementar solo From para obtener una implementación Into respectiva automáticamente.

Por lo tanto si hacemos .into() este código va funcionar : 

fn multiply(x: i16, y: i16) -> i16 {

    x * y

}

fn main() {

    let x: i8 = 15;

    let y: i16 = 1000;

    println!("{x} * {y} = {}", multiply(x.into(), y));

}

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.83s

     Running `target/debug/hello_cargo`

15 * 1000 = 15000

Sobrecarga de funciones

Rust no soporta la sobrecarga:

• Cada función tiene una sola implementación:
• Siempre toma un número fijo de parámetros.
• Siempre toma un único conjunto de tipos de parámetros.
• Los valores predeterminados no son compatibles:
• Todos los sitios de llamadas tienen el mismo número de argumentos.
• Las macros a veces se utilizan como alternativa.

Sin embargo, los parámetros de función pueden ser genéricos:

fn pick_one<T>(a: T, b: T) -> T {

    if std::process::id() % 2 == 0 { a } else { b }

}

fn main() {

    println!("coin toss: {}", pick_one("heads", "tails"));

    println!("cash prize: {}", pick_one(500, 1000));

}

Rustdoc

Todos los elementos de Lenguaje Rust se pueden documentar usando una sintaxis especial ///.

/// Determine whether the first argument is divisible by the second argument.

///

/// If the second argument is zero, the result is false.

fn is_divisible_by(lhs: u32, rhs: u32) -> bool {

    if rhs == 0 {

        return false;  // Corner case, early return

    }

    lhs % rhs == 0     // The last expression in a block is the return value

}

Los contenidos se tratan como Markdown. Las librerias de Rust se documentan automáticamente en docs.rs mediante la herramienta rustdoc. Es idiomático documentar todos los elementos públicos en una API utilizando este patrón.

Y para utilizarla podemos hacer : 

rustdoc src/main.rs 

Funciones en Rust

Una versión de Rust de la famosa pregunta de entrevista de FizzBuzz:

fn main() {

    print_fizzbuzz_to(20);

}

fn is_divisible(n: u32, divisor: u32) -> bool {

    if divisor == 0 {

        return false;

    }

    n % divisor == 0

}

fn fizzbuzz(n: u32) -> String {

    let fizz = if is_divisible(n, 3) { "fizz" } else { "" };

    let buzz = if is_divisible(n, 5) { "buzz" } else { "" };

    if fizz.is_empty() && buzz.is_empty() {

        return format!("{n}");

    }

    format!("{fizz}{buzz}")

}

fn print_fizzbuzz_to(n: u32) {

    for i in 1..=n {

        println!("{}", fizzbuzz(i));

    }

}

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.38s

     Running `target/debug/hello_cargo`

1

2

fizz

4

buzz

fizz

7

8

fizz

buzz

11

fizz

13

14

fizzbuzz

16

17

fizz

19

buzz

Los parámetros de declaración son seguidos por un tipo (lo contrario de algunos lenguajes de programación), luego un tipo de retorno.

La última expresión en el cuerpo de una función (o cualquier bloque) se convierte en el valor devuelto. Y Simplemente se omite el ; al final de la expresión.

Algunas funciones no tienen valor de retorno y devuelven el 'tipo de unidad', (). El compilador inferirá esto si se omite el tipo de retorno -> ().

La expresión de rango en el ciclo for en print_fizzbuzz_to() contiene =n, lo que hace que incluya el límite superior.

Rust: String vs str

 

Dado este post, podemos entender los dos tipos de cadenas en Rust:

fn main() {

    let s1: &str = "World";

    println!("s1: {s1}");

    let mut s2: String = String::from("Hello ");

    println!("s2: {s2}");

    s2.push_str(s1);

    println!("s2: {s2}");

    

    let s3: &str = &s2[6..];

    println!("s3: {s3}");

}

$ cargo run

   Compiling hello_cargo v0.1.0 

    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.51s

     Running `target/debug/hello_cargo`

s1: World

s2: Hello 

s2: Hello World

s3: World

En Rust: 

• &str una referencia inmutable a un segmento de cadena.
• String de un búfer de cadena mutable.

&str introduce un segmento de cadena, que es una referencia inmutable a datos de cadena codificados en UTF-8 almacenados en un bloque de memoria. Los literales de cadena ("Hola") se almacenan en el binario del programa.

El tipo String de Rust es un contenedor alrededor de un vector de bytes. Al igual que con un Vec<T>, es propiedad.

Como ocurre con muchos otros tipos, String::from() crea una cadena a partir de un literal de cadena; String::new() crea una nueva cadena vacía, a la que se pueden agregar datos de cadena usando los métodos push() y push_str().

La macro format!() es una forma conveniente de generar una cadena propia a partir de valores dinámicos. Acepta la misma especificación de formato que println!().

Puede tomar prestados segmentos de &str de String a través de & y, opcionalmente, selección de rango.

Para programadores de C++: piense en &str como const char* de C++, pero el que siempre apunta a una cadena válida en la memoria. Rust String es un equivalente aproximado de std::string de C++ (diferencia principal: solo puede contener bytes codificados en UTF-8 y nunca utilizará una optimización de cadena pequeña).