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【譯】Rust vs. Go

本文譯自 Julio MerinoRust vs. Go。Julio Merino 目前是 G 社僱員,在 G 社工作超過 8 年,無論工作內外,都接觸開發不少 Go 語言,並撰寫 Rust 點評系列文,來聽聽他對 Rust 與 Go 的想法吧。

Thanks Julio Merino for this awesome article!


歡迎來到「Rust 點評」系列特別篇,也是我在系列文開始就承諾撰寫的主題,將探討一個難以忽視的大哉問:Rust 與 Go 孰優孰劣?

這麼比較並沒有根據,所以不會有標準答案。我認為人們會把這兩種語言作伙比較只因為它們幾乎同時釋出,而且 Rust 的釋出像是在回應 Go。除此之外,兩種語言都被認為聚焦在系統軟體上(system software),但其實它們大相徑庭,就算都專注系統軟體,各自目標的軟體類型也不盡相同。

Go 可以視為「做對了的 C」或是「Python 的替代品」。Go 在開發網路伺服器與自動化工具的領域發光發熱。Rust 專注在正確與安全性,定位在 C++ 與 Haskell 之間,如同之前提及,可以視為「務實的 Haskell」。儘管 Rust 的語言抽象程度很高,它仍承諾這些抽象是零成本(zero-cost abstraction),也就是說,它應該擅長寫任何系統專案。

這篇個人點評基於我用兩種語言寫了相同的專案 sandboxfs。最初實作是用 Go,而我開發了另一個用 Rust 的實驗性改寫(還沒有完全檢驗),兩個實作都通過相同的測試套件(test suite)。除了透過這次改寫來學習語言,也因為當我分析 Go 實作版本的效能時,發現熱點總是在 Go 的執行環境(runtime),我想要嘗試看看簡單的 Rust 改寫後效能能否長進,而情況似乎就是如此。隨著這次改寫,我很訝異原本的 Go 實作版本有不少潛在的並行(concurrency)漏洞,因為許多 Rust 並不允許我利用相同的設計改寫。

在開始之前,也許你會想讀讀兩年前我對 Go 語言的點評。讀完了嗎?我們開始吧!

記憶體管理

要說 Rust 與 Go 之間最明顯的差異,首推各自的記憶體管理方式。

Go 根據物件的生命週期,決定物件要配置在 stack 或 heap 上,而後者會以垃圾回收機制(garbage collection)管理。Rust 則是手動(explicit)配置在 stack 和 heap 上,而後者會透過 scopes(C++ 用語中稱為 RAII)與 ownership/move semantic 管理。

在這個領域中,典型的權衡是垃圾回收與手動記憶體管理(explicit memory management)。這代表 Go 因為垃圾回收機制帶來額外開銷,而 Rust 並不會。但對大多數軟體而言不會是個問題。試想你上一次寫效能需求高,不能有延遲,且 CPU-bound 的程式是什麼時候了。

若要高效使用 Rust,需要瞭解電腦記憶體如何運作。Go 可以赦免你不懂記憶體管理,但如同我下一節將提到的,不懂記憶體並非好事:瞭解記憶體運作是通往程式設計大師之路的重要一步。

獲勝者:無法決定。Go 與 Rust 兩者都提供更不容易記憶體洩漏(memory leak)且具有優良人因設計(ergonomic)的記憶體管理機制。

難度

Go 是一個簡單中不失自身優雅的語言。Go 極度容易幾刻鐘內上手並搞出一堆程式碼。然而,如同我們在「Rust 點評:學習曲線」一文所述,這可能是謬誤:在你剛學了任何語言後馬上寫的程式碼都不會最符合該語言特性,最佳實踐的程式需要花更多時間熬出。

對 Rust 來說,不能否認它是一個複雜的語言,也許沒有 C++ 這麼複雜,但仍有大量的概念在其中。撰寫 Rust 程式的確需要更多精力。對應的收益是,當你的程式寫完且成功編譯,很高的機率它會安然無恙的運作。這情境無法完全套用在 Go 上,我見過太多太多執行期(runtime)錯誤崩潰了。

你要選擇自己的戰爭:快速地撰寫 Go,再花費額外的時間寫瑣細的測試與修正執行期的問題;或是花時間一步步撰寫穩健的 Rust 程式,避免構建後的問題。

獲勝者:難以決定。我們可以很簡單地說 Go 贏了,但我並不想要這樣定論,因為我個人喜歡花更多時間打造一個禁得起時間考驗的程式,而非在未來還必須追蹤複雜的記憶體與線程問題。

泛型

Go 不支援泛型。Go 的作者們並沒有堅決反對泛型,但他們聲稱無法簡潔地實作或支援,而開始動手做之前,必須先找到完美解法。因此,人們濫用 interface {},將之作為泛型使用,其他 Go 程式碼也無法受惠於以此實作的原生函式(如 append)。

Rust 剛好具有如你所願的泛型。這個泛型支援普通型別及 traits,而且你還可以透過 impldyn 這兩個新特性(從 2018 開始),控制 Rust 從 traits 上面產生的泛型機器碼(machine code)。

獲勝者:不用多說了,非 Rust 莫屬。

程式碼完備性(Code sanity)

我最不能接受 Go 語言缺失的功能是沒有提供零抽象成本的方法,透過程式碼自身來編撰穩健的程式。沒錯,自動程式碼格式化和強力建議程式如何寫這兩件事很美好,但這不足以強制改善程式邏輯。我發現自己常常撰寫過長的註解來解釋一些完全不可能的條件,或為什麼特定參數可以運作,還有變數與互斥鎖之間有什麼關係⋯⋯,這些都是未來程式會崩毀的病徵:註解無法透過編譯器檢驗完備性,而且註解一定會過時。只要有機會,所有東西都該以程式碼表達。

那麼,什麼我在 Rust 發現什麼 Go 缺少的功能,可令程式碼更穩健更能防範未然?

  • 斷言(Assertions)。斷言之所以無價,是因為它讓程式設計師們得以溝通不一定明顯的意圖。Rust 有斷言,反觀 Go 沒有。呃⋯⋯Go 的確有 panic 可以來模擬斷言,但這作法不被認可,你應該永不使用它。

    為什麼 Go 沒有斷言呢?以下是我瞎猜的:因為程式設計師常常誤用斷言來驗證使用者的輸入,這樣導致有不對或惡意輸入時產生執行期錯誤。於是,崇尚務實主義的 Go 要求把所有問題當成可以被控制的錯誤,從而避免「誤用斷言」這種情況。(嗯⋯⋯,這我過些時間想再寫一篇獨立的文章來討論⋯⋯)

    順便提個我常常聽到的說法:你可以從寫了多少斷言來判斷一個程式設計師的經驗是否老到,而越多代表越老練。歡迎對這個想法有任何評論。

  • 標註(Annotations)。有時候該用到的輸入參數沒使用到,或該檢查的回傳值沒檢查。或其他時候,你知道一個特定函式永遠不會返回,而且希望給予呼叫端這項資訊,讓編譯器閉嘴。舉個例子,缺少 return 陳述句。Go 沒有這些標註,讓程式設計是很難清楚表達意圖。而 Rust 嘟嘟好有這些標註。

    更糟的是,Go 有些特定內部函式的行為如 panic,這些編譯器知道無法回傳,但不可能在你手寫的 Go 程式碼中表達這件事。如果考慮這問題和前面提及泛型是同個缺點,再次提及比較有點失允。

  • 註釋即文件(Docstrings)。是的,Go 有 docstrings,但神基本。雖然大部分可以正常運作,但寫了一堆 Java 之後,知道事先定義好結構的 docstrings 能提供不少價值。許多工具可協助檢驗文件的完備性。舉例來說,IntelliJ 可以驗證參數名稱是否對應真正的函式參數,並且交叉參照其他類別是否也合法。

    Rust 的 docstrings 支援 Markdown 而比 Go 來得好些,但仍無明確的撰寫指引:似乎沒有一種標準方式撰寫,也不支援替每一項目個別撰寫文件,工具更無法交叉檢查 docstrings 是否和程式碼吻合。

  • 錯誤檢查(Error checking)。我是少數(?)喜愛 Go 手動錯誤傳遞的一分子。你說得沒錯,寫一堆錯誤檢查很惱人,但這樣做迫使你使用與其他語言不同的方式思考錯誤這檔事。

    很不幸,Go 選擇的寫法有些問題:一個函式總是回傳一個結果值與一個錯誤,呼叫端可以決定先檢查錯誤,再檢查值。語言本身並無強制做這件事,而我看多太多太多錯誤是在檢查錯誤前先取值所導致。另一方面,Rust 帶著更高端的型別封裝了值或錯誤,加上沒有 null 這個特點,這代表了呼叫端永遠不會在錯誤存在時取得結果值,反之亦然。可以參考看看 Result 型別還有我寫有關 match 關鍵字的文章。

讓我下個結論,一個正向的聲明,這兩個語言都不提供自動型別。舉例來說,Rust 與 Go 強制程式設計師們整數轉型至不同大小,於是任何可能溢位(overflow/underflow)之處顯露無遺。提醒你一下:Go 在這方面比 Rust 稍強些,因為 Go 的型別別名(type alias)語義上被視為不同的型別,編譯時需要手動轉型,而 Rust 則是當作語法上的別名(就像 C typedef 所作所為)。

獲勝者:Rust 輕鬆勝出。你可以主張這只是對 Go 缺乏功能的一些抱怨,而且應該接受 Go 就是這種風格,但我不行:這些抱怨就是討論上述失能讓 Go 無法寫出防範未然,晶瑩剔透的程式碼。

效能分析

Go 的簡便無所不在,連讓程式最佳化的工具也不例外。從效能分析(profiling)來看,Go 內建追蹤 CPU 和記憶體用量的機制,且能與 pprof 工具整合。可以很容易檢查 Go 程式並取得有用的資料來最佳化。

我還沒發現任何 Rust 的分析工具可以和 Go 的工具一樣整合 pprof。當然,有一個函式庫可以生成類似 pprof 的追蹤資料,但我無法簡易上手,安裝上也有點詭異(需要 gperftools 以顯示在系統上)。這篇舊文有相關資訊和工具可供參考。

獲勝者:就我目前所知,Go 在這方面大勝。

構建速度

打從娘胎開始,Go 就被設計為盡可能快速構建。就我所知,這是為了減少 Google 內部大型應用程式構建時間而做的嘗試。我猜測這合理解釋為什麼 Go 選擇 duck typing 來避免組件間強耦合,進而加速增量編譯(incremental compilation)。當我第一次在 NetBSD 自我建立(bootstrap)Go 整個工具鏈時,我非常震驚,整個流程只需要幾分鐘。我以前使用 clang 需要幾小時建立環境。

Rust 是家喻戶曉的編譯緩慢,所有完備性檢驗(sanity check),例如 borrow checker 和泛型,並不是白吃的午餐。我聽說有機會可以改善,但第一,我還沒研究過;第二,這說法尚未實現。

獲勝者:簡單啦,Go。

構建系統

依照現代程式語言的慣例,Go 和 Rust 都有自己的套件管理與套件相依追蹤工具。

在 Go 語言,有窮極簡單的 Go 內建工具允許我們取得套件與它的相依套件,且無需任何設定檔就可構建整個專案。聽起來超誘人的,但事實上略違反基本工程慣例,有點危險。舉例來說,Go 的工具總是從網站如 GitHub 取得最新快照版本的相依套件,但完全沒有任何機制指定版本,也無法確保惡意程式碼混入。我認為這應是受 Google 超大單一儲存庫(monorepo)如何運作,以及「在最新版構建」(build at head)的哲學影響,但這不太符合開源社群生態的期待。顯然 Go 社群最後接受了他們需要一個更好的解決方案,有許多提案也嘗試改善這種狀況。

在 Rust 這邊,我們有 Cargo,在專案中使用 Cargo 會需要比 Go 內建機制多一點點設定,但就只有一點點:典型的 Cargo.toml 只需列出幾行相依套件和該專案基本資料(metadata)即可。Rust 社群使用 Cargo 可以解析的語意化版號管理相依。換言之,Rust 和 Cargo 設計上就支援他們身處的生態系,而非趕鴨子上架。Cargo 完全是 Rust 最美好的功能之一。

有趣的是,人們可以透過 Bazel 構建 Go 與 Rust 的程式。這種情況下,Bazel 透過一系列條件(rules_go)修正了上述提及 Go 的已知問題:這些條件允許相依套件以及工具鏈固定版號。至於 Bazel 對 Rust 的支援還很陽春,對應的條件(rules_rust)並沒有太多功能。

獲勝者:只考慮原生構建系統,Rust 的 Cargo 工具鏈勝出。如果把 Bazel 拉進來討論,目前是 Go 略勝一籌。

單元測試

對任何程式碼來說,自動化測試是確保程式依照期望執行,並保證程式成長時仍能正確執行(例如:沒有寫測試就無法做大規模的重構)。Go 這方面的表現令我嗤之以鼻,我想我會保留內容給另一篇專文討論。Go 的 testing 套件看來完全不鳥現代的測試技術,一心走自己認定的套路。那欸安捏?捨棄斷言(assertion)不用,導致只有測試函式自己可以使測試失敗,不允許其他輔助函式或固定資料(fixture)。對不複雜的單元測試來說挺誘人的,但往往不好控制。最終,更複雜的測試讓真正的待測邏輯變得更隱晦,更難以理解。

謝天謝地,Go 有個第三方函式庫 testify 提供類 JUnit 的測試框架。這函式庫使用合理的語義進行測試。較嚴重的問題是 Go 社群文化較武斷,你可能沒有機會在專案中使用它。

另一頭,Rust 的測試函式庫較貼近你預期的其他語言的行為。換言之,你有斷言可以用。我發現比較奇怪的點是,Rust 推薦你把測試寫在與待測原始碼同一份檔案中。由於我還沒寫足夠的測試,不清楚在真實世界中這種做法到底會如何?

獲勝者:我很想說是 Rust,因為 Go 的測試途徑太令我失望了,但 Go 有 testify 套件存在,我必須說兩者平分秋色。

結論

每一種程式語言皆有優缺點,這些小小的權衡抉擇是我藉由 Go 與 Rust 做比較來 證明這個概念。在每個部分勝出的語言都不一樣,有些時候你根本無法決定誰更有優勢。

您身為工程師的職責就是瞭解每個專案該如何權衡,並替專案選擇最佳的工具。Rust 與 Go 只是工具,挑一個最適配團隊,專案,還有你自己吧(按照這個順序)。

如果你希望我能更具體,我會強力推薦在座的各位學習 Rust,與 borrow checker 與 ownership 和平共處。即使最終你並沒有使用 Rust,過程中所學都會回饋到其他語言上,連 Go 也不例外。


以上翻譯經過原作者同意,但譯者並非科班也沒有翻譯學位,若有語句不通順或不合理之處,請留言或與我聯繫,切莫直接怪罪原作者。