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[rust.git] / src / doc / intro.md
1 % A 30-minute Introduction to Rust
2
3 Rust is a modern systems programming language focusing on safety and speed. It
4 accomplishes these goals by being memory safe without using garbage collection.
5
6 This introduction will give you a rough idea of what Rust is like, eliding many
7 details. It does not require prior experience with systems programming, but you
8 may find the syntax easier if you've used a "curly brace" programming language
9 before, like C or JavaScript. The concepts are more important than the syntax,
10 so don't worry if you don't get every last detail: you can read [The
11 Rust Programming Language](book/index.html) to get a more complete explanation.
12
13 Because this is about high-level concepts, you don't need to actually install
14 Rust to follow along. If you'd like to anyway, check out [the
15 homepage](http://rust-lang.org) for explanation.
16
17 To show off Rust, let's talk about how easy it is to get started with Rust.
18 Then, we'll talk about Rust's most interesting feature, *ownership*, and
19 then discuss how it makes concurrency easier to reason about. Finally,
20 we'll talk about how Rust breaks down the perceived dichotomy between speed
21 and safety.
22
23 # Tools
24
25 Getting started on a new Rust project is incredibly easy, thanks to Rust's
26 package manager, [Cargo](https://crates.io/).
27
28 To start a new project with Cargo, use `cargo new`:
29
30 ```{bash}
31 $ cargo new hello_world --bin
32 ```
33
34 We're passing `--bin` because we're making a binary program: if we
35 were making a library, we'd leave it off.
36
37 Let's check out what Cargo has generated for us:
38
39 ```{bash}
40 $ cd hello_world
41 $ tree .
42 .
43 ├── Cargo.toml
44 └── src
45     └── main.rs
46
47 1 directory, 2 files
48 ```
49
50 This is all we need to get started. First, let's check out `Cargo.toml`:
51
52 ```{toml}
53 [package]
54
55 name = "hello_world"
56 version = "0.0.1"
57 authors = ["Your Name <you@example.com>"]
58 ```
59
60 This is called a *manifest*, and it contains all of the metadata that Cargo
61 needs to compile your project.
62
63 Here's what's in `src/main.rs`:
64
65 ```{rust}
66 fn main() {
67     println!("Hello, world!");
68 }
69 ```
70
71 Cargo generated a "Hello World" for us. We'll talk more about the syntax here
72 later, but that's what Rust code looks like! Let's compile and run it:
73
74 ```{bash}
75 $ cargo run
76    Compiling hello_world v0.0.1 (file:///Users/you/src/hello_world)
77      Running `target/hello_world`
78 Hello, world!
79 ```
80
81 Using an external dependency in Rust is incredibly easy. You add a line to
82 your `Cargo.toml`:
83
84 ```{toml}
85 [package]
86
87 name = "hello_world"
88 version = "0.0.1"
89 authors = ["Your Name <someone@example.com>"]
90
91 [dependencies.semver]
92
93 git = "https://github.com/rust-lang/semver.git"
94 ```
95
96 You added the `semver` library, which parses version numbers and compares them
97 according to the [SemVer specification](http://semver.org/).
98
99 Now, you can pull in that library using `extern crate` in
100 `main.rs`.
101
102 ```{rust,ignore}
103 extern crate semver;
104
105 use semver::Version;
106
107 fn main() {
108     assert!(Version::parse("1.2.3") == Ok(Version {
109         major: 1u64,
110         minor: 2u64,
111         patch: 3u64,
112         pre: vec!(),
113         build: vec!(),
114     }));
115
116     println!("Versions compared successfully!");
117 }
118 ```
119
120 Again, we'll discuss the exact details of all of this syntax soon. For now,
121 let's compile and run it:
122
123 ```{bash}
124 $ cargo run
125     Updating git repository `https://github.com/rust-lang/semver.git`
126    Compiling semver v0.0.1 (https://github.com/rust-lang/semver.git#bf739419)
127    Compiling hello_world v0.0.1 (file:///home/you/projects/hello_world)
128      Running `target/hello_world`
129 Versions compared successfully!
130 ```
131
132 Because we only specified a repository without a version, if someone else were
133 to try out our project at a later date, when `semver` was updated, they would
134 get a different, possibly incompatible version. To solve this problem, Cargo
135 produces a file, `Cargo.lock`, which records the versions of any dependencies.
136 This gives us repeatable builds.
137
138 There is a lot more here, and this is a whirlwind tour, but you should feel
139 right at home if you've used tools like [Bundler](http://bundler.io/),
140 [npm](https://www.npmjs.org/), or [pip](https://pip.pypa.io/en/latest/).
141 There's no `Makefile`s or endless `autotools` output here. (Rust's tooling does
142 [play nice with external libraries written in those
143 tools](http://doc.crates.io/build-script.html), if you need to.)
144
145 Enough about tools, let's talk code!
146
147 # Ownership
148
149 Rust's defining feature is "memory safety without garbage collection". Let's
150 take a moment to talk about what that means. *Memory safety* means that the
151 programming language eliminates certain kinds of bugs, such as [buffer
152 overflows](https://en.wikipedia.org/wiki/Buffer_overflow) and [dangling
153 pointers](https://en.wikipedia.org/wiki/Dangling_pointer). These problems occur
154 when you have unrestricted access to memory. As an example, here's some Ruby
155 code:
156
157 ```{ruby}
158 v = []
159
160 v.push("Hello")
161
162 x = v[0]
163
164 v.push("world")
165
166 puts x
167 ```
168
169 We make an array, `v`, and then call `push` on it. `push` is a method which
170 adds an element to the end of an array.
171
172 Next, we make a new variable, `x`, that's equal to the first element of
173 the array. Simple, but this is where the "bug" will appear.
174
175 Let's keep going. We then call `push` again, pushing "world" onto the
176 end of the array. `v` now is `["Hello", "world"]`.
177
178 Finally, we print `x` with the `puts` method. This prints "Hello."
179
180 All good? Let's go over a similar, but subtly different example, in C++:
181
182 ```{cpp}
183 #include<iostream>
184 #include<vector>
185 #include<string>
186
187 int main() {
188     std::vector<std::string> v;
189
190     v.push_back("Hello");
191
192     std::string& x = v[0];
193
194     v.push_back("world");
195
196     std::cout << x;
197 }
198 ```
199
200 It's a little more verbose due to the static typing, but it's almost the same
201 thing. We make a `std::vector` of `std::string`s, we call `push_back` (same as
202 `push`) on it, take a reference to the first element of the vector, call
203 `push_back` again, and then print out the reference.
204
205 There's two big differences here: one, they're not _exactly_ the same thing,
206 and two...
207
208 ```{bash}
209 $ g++ hello.cpp -Wall -Werror
210 $ ./a.out
211 Segmentation fault (core dumped)
212 ```
213
214 A crash! (Note that this is actually system-dependent. Because referring to an
215 invalid reference is undefined behavior, the compiler can do anything,
216 including the right thing!) Even though we compiled with flags to give us as
217 many warnings as possible, and to treat those warnings as errors, we got no
218 errors. When we ran the program, it crashed.
219
220 Why does this happen? When we append to an array, its length changes. Since
221 its length changes, we may need to allocate more memory. In Ruby, this happens
222 as well, we just don't think about it very often. So why does the C++ version
223 segfault when we allocate more memory?
224
225 The answer is that in the C++ version, `x` is a *reference* to the memory
226 location where the first element of the array is stored. But in Ruby, `x` is a
227 standalone value, not connected to the underlying array at all. Let's dig into
228 the details for a moment. Your program has access to memory, provided to it by
229 the operating system. Each location in memory has an address.  So when we make
230 our vector, `v`, it's stored in a memory location somewhere:
231
232 | location | name | value |
233 |----------|------|-------|
234 | 0x30     | v    |       |
235
236 (Address numbers made up, and in hexadecimal. Those of you with deep C++
237 knowledge, there are some simplifications going on here, like the lack of an
238 allocated length for the vector. This is an introduction.)
239
240 When we push our first string onto the array, we allocate some memory,
241 and `v` refers to it:
242
243 | location | name | value    |
244 |----------|------|----------|
245 | 0x30     | v    | 0x18     |
246 | 0x18     |      | "Hello"  |
247
248 We then make a reference to that first element. A reference is a variable
249 that points to a memory location, so its value is the memory location of
250 the `"Hello"` string:
251
252 | location | name | value    |
253 |----------|------|----------|
254 | 0x30     | v    | 0x18     |
255 | 0x18     |      | "Hello"  |
256 | 0x14     | x    | 0x18     |
257
258 When we push `"world"` onto the vector with `push_back`, there's no room:
259 we only allocated one element. So, we need to allocate two elements,
260 copy the `"Hello"` string over, and update the reference. Like this:
261
262 | location | name | value    |
263 |----------|------|----------|
264 | 0x30     | v    | 0x08     |
265 | 0x18     |      | GARBAGE  |
266 | 0x14     | x    | 0x18     |
267 | 0x08     |      | "Hello"  |
268 | 0x04     |      | "world"  |
269
270 Note that `v` now refers to the new list, which has two elements. It's all
271 good. But our `x` didn't get updated! It still points at the old location,
272 which isn't valid anymore. In fact, [the documentation for `push_back` mentions
273 this](http://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector/push_back):
274
275 > If the new `size()` is greater than `capacity()` then all iterators and
276 > references (including the past-the-end iterator) are invalidated.
277
278 Finding where these iterators and references are is a difficult problem, and
279 even in this simple case, `g++` can't help us here. While the bug is obvious in
280 this case, in real code, it can be difficult to track down the source of the
281 error.
282
283 Before we talk about this solution, why didn't our Ruby code have this problem?
284 The semantics are a little more complicated, and explaining Ruby's internals is
285 out of the scope of a guide to Rust. But in a nutshell, Ruby's garbage
286 collector keeps track of references, and makes sure that everything works as
287 you might expect. This comes at an efficiency cost, and the internals are more
288 complex.  If you'd really like to dig into the details, [this
289 article](http://patshaughnessy.net/2012/1/18/seeing-double-how-ruby-shares-string-values)
290 can give you more information.
291
292 Garbage collection is a valid approach to memory safety, but Rust chooses a
293 different path.  Let's examine what the Rust version of this looks like:
294
295 ```{rust,ignore}
296 fn main() {
297     let mut v = vec![];
298
299     v.push("Hello");
300
301     let x = &v[0];
302
303     v.push("world");
304
305     println!("{}", x);
306 }
307 ```
308
309 This looks like a bit of both: fewer type annotations, but we do create new
310 variables with `let`. The method name is `push`, some other stuff is different,
311 but it's pretty close. So what happens when we compile this code?  Does Rust
312 print `"Hello"`, or does Rust crash?
313
314 Neither. It refuses to compile:
315
316 ```bash
317 $ cargo run
318    Compiling hello_world v0.0.1 (file:///Users/you/src/hello_world)
319 main.rs:8:5: 8:6 error: cannot borrow `v` as mutable because it is also borrowed as immutable
320 main.rs:8     v.push("world");
321               ^
322 main.rs:6:14: 6:15 note: previous borrow of `v` occurs here; the immutable borrow prevents subsequent moves or mutable borrows of `v` until the borrow ends
323 main.rs:6     let x = &v[0];
324                        ^
325 main.rs:11:2: 11:2 note: previous borrow ends here
326 main.rs:1 fn main() {
327 ...
328 main.rs:11 }
329            ^
330 error: aborting due to previous error
331 ```
332
333 When we try to mutate the array by `push`ing it the second time, Rust throws
334 an error. It says that we "cannot borrow v as mutable because it is also
335 borrowed as immutable." What does it mean by "borrowed"?
336
337 In Rust, the type system encodes the notion of *ownership*. The variable `v`
338 is an *owner* of the vector. When we make a reference to `v`, we let that
339 variable (in this case, `x`) *borrow* it for a while. Just like if you own a
340 book, and you lend it to me, I'm borrowing the book.
341
342 So, when I try to modify the vector with the second call to `push`, I need
343 to be owning it. But `x` is borrowing it. You can't modify something that
344 you've lent to someone. And so Rust throws an error.
345
346 So how do we fix this problem? Well, we can make a copy of the element:
347
348
349 ```{rust}
350 fn main() {
351     let mut v = vec![];
352
353     v.push("Hello");
354
355     let x = v[0].clone();
356
357     v.push("world");
358
359     println!("{}", x);
360 }
361 ```
362
363 Note the addition of `clone()`. This creates a copy of the element, leaving
364 the original untouched. Now, we no longer have two references to the same
365 memory, and so the compiler is happy. Let's give that a try:
366
367 ```{bash}
368 $ cargo run
369    Compiling hello_world v0.0.1 (file:///Users/you/src/hello_world)
370      Running `target/hello_world`
371 Hello
372 ```
373
374 Same result. Now, making a copy can be inefficient, so this solution may not be
375 acceptable. There are other ways to get around this problem, but this is a toy
376 example, and because we're in an introduction, we'll leave that for later.
377
378 The point is, the Rust compiler and its notion of ownership has saved us from a
379 bug that would crash the program. We've achieved safety, at compile time,
380 without needing to rely on a garbage collector to handle our memory.
381
382 # Concurrency
383
384 Rust's ownership model can help in other ways, as well. For example, take
385 concurrency. Concurrency is a big topic, and an important one for any modern
386 programming language. Let's take a look at how ownership can help you write
387 safe concurrent programs.
388
389 Here's an example of a concurrent Rust program:
390
391 ```{rust}
392 # #![feature(scoped)]
393 use std::thread;
394
395 fn main() {
396     let guards: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
397         thread::scoped(|| {
398             println!("Hello, world!");
399         })
400     }).collect();
401 }
402 ```
403
404 This program creates ten threads, which all print `Hello, world!`. The `scoped`
405 function takes one argument, a closure, indicated by the double bars `||`. This
406 closure is executed in a new thread created by `scoped`. The method is called
407 `scoped` because it returns a 'join guard', which will automatically join the
408 child thread when it goes out of scope. Because we `collect` these guards into
409 a `Vec<T>`, and that vector goes out of scope at the end of our program, our
410 program will wait for every thread to finish before finishing.
411
412 One common form of problem in concurrent programs is a *data race*.
413 This occurs when two different threads attempt to access the same
414 location in memory in a non-synchronized way, where at least one of
415 them is a write. If one thread is attempting to read, and one thread
416 is attempting to write, you cannot be sure that your data will not be
417 corrupted. Note the first half of that requirement: two threads that
418 attempt to access the same location in memory. Rust's ownership model
419 can track which pointers own which memory locations, which solves this
420 problem.
421
422 Let's see an example. This Rust code will not compile:
423
424 ```{rust,ignore}
425 # #![feature(scoped)]
426 use std::thread;
427
428 fn main() {
429     let mut numbers = vec![1, 2, 3];
430
431     let guards: Vec<_> = (0..3).map(|i| {
432         thread::scoped(move || {
433             numbers[i] += 1;
434             println!("numbers[{}] is {}", i, numbers[i]);
435         })
436     }).collect();
437 }
438 ```
439
440 It gives us this error:
441
442 ```text
443 7:25: 10:6 error: cannot move out of captured outer variable in an `FnMut` closure
444 7     thread::scoped(move || {
445 8       numbers[i] += 1;
446 9       println!("numbers[{}] is {}", i, numbers[i]);
447 10     })
448 error: aborting due to previous error
449 ```
450
451 This is a little confusing because there are two closures here: the one passed
452 to `map`, and the one passed to `thread::scoped`. In this case, the closure for
453 `thread::scoped` is attempting to reference `numbers`, a `Vec<i32>`. This
454 closure is a `FnOnce` closure, as that’s what `thread::scoped` takes as an
455 argument. `FnOnce` closures take ownership of their environment. That’s fine,
456 but there’s one detail: because of `map`, we’re going to make three of these
457 closures. And since all three try to take ownership of `numbers`, that would be
458 a problem. That’s what it means by ‘cannot move out of captured outer
459 variable’: our `thread::scoped` closure wants to take ownership, and it can’t,
460 because the closure for `map` won’t let it.
461
462 What to do here? Rust has a type that helps us: `Mutex<T>`. Because the threads
463 are scoped, it is possible to use an _immutable_ reference to `numbers` inside
464 of the closure. However, Rust prevents us from having multiple _mutable_
465 references to the same object, so we need a `Mutex` to be able to modify what
466 we're sharing. A Mutex will synchronize our accesses, so that we can ensure
467 that our mutation doesn't cause a data race.
468
469 Here's what using a Mutex looks like:
470
471 ```{rust}
472 # #![feature(scoped)]
473 use std::thread;
474 use std::sync::Mutex;
475
476 fn main() {
477     let numbers = &Mutex::new(vec![1, 2, 3]);
478
479     let guards: Vec<_> = (0..3).map(|i| {
480         thread::scoped(move || {
481             let mut array = numbers.lock().unwrap();
482             array[i] += 1;
483             println!("numbers[{}] is {}", i, array[i]);
484         })
485     }).collect();
486 }
487 ```
488
489 We first have to `use` the appropriate library, and then we wrap our vector in
490 a `Mutex` with the call to `Mutex::new()`. Inside of the loop, the `lock()`
491 call will return us a reference to the value inside the Mutex, and block any
492 other calls to `lock()` until said reference goes out of scope.
493
494 We can compile and run this program without error, and in fact, see the
495 non-deterministic aspect:
496
497 ```{shell}
498 $ cargo run
499    Compiling hello_world v0.0.1 (file:///Users/you/src/hello_world)
500      Running `target/hello_world`
501 numbers[1] is 3
502 numbers[0] is 2
503 numbers[2] is 4
504 $ cargo run
505      Running `target/hello_world`
506 numbers[2] is 4
507 numbers[1] is 3
508 numbers[0] is 2
509 ```
510
511 Each time, we can get a slightly different output because the threads are not
512 guaranteed to run in any set order. If you get the same order every time it is
513 because each of these threads are very small and complete too fast for their
514 indeterminate behavior to surface.
515
516 The important part here is that the Rust compiler was able to use ownership to
517 give us assurance _at compile time_ that we weren't doing something incorrect
518 with regards to concurrency. In order to share ownership, we were forced to be
519 explicit and use a mechanism to ensure that it would be properly handled.
520
521 # Safety _and_ Speed
522
523 Safety and speed are always presented as a continuum. At one end of the spectrum,
524 you have maximum speed, but no safety. On the other end, you have absolute safety
525 with no speed. Rust seeks to break out of this paradigm by introducing safety at
526 compile time, ensuring that you haven't done anything wrong, while compiling to
527 the same low-level code you'd expect without the safety.
528
529 As an example, Rust's ownership system is _entirely_ at compile time. The
530 safety check that makes this an error about moved values:
531
532 ```{rust,ignore}
533 # #![feature(scoped)]
534 use std::thread;
535
536 fn main() {
537     let numbers = vec![1, 2, 3];
538
539     let guards: Vec<_> = (0..3).map(|i| {
540         thread::scoped(move || {
541             println!("{}", numbers[i]);
542         })
543     }).collect();
544 }
545 ```
546
547 carries no runtime penalty. And while some of Rust's safety features do have
548 a run-time cost, there's often a way to write your code in such a way that
549 you can remove it. As an example, this is a poor way to iterate through
550 a vector:
551
552 ```{rust}
553 let vec = vec![1, 2, 3];
554
555 for i in 0..vec.len() {
556      println!("{}", vec[i]);
557 }
558 ```
559
560 The reason is that the access of `vec[i]` does bounds checking, to ensure
561 that we don't try to access an invalid index. However, we can remove this
562 while retaining safety. The answer is iterators:
563
564 ```{rust}
565 let vec = vec![1, 2, 3];
566
567 for x in &vec {
568     println!("{}", x);
569 }
570 ```
571
572 This version uses an iterator that yields each element of the vector in turn.
573 Because we have a reference to the element, rather than the whole vector itself,
574 there's no array access bounds to check.
575
576 # Learning More
577
578 I hope that this taste of Rust has given you an idea if Rust is the right
579 language for you. We talked about Rust's tooling, how encoding ownership into
580 the type system helps you find bugs, how Rust can help you write correct
581 concurrent code, and how you don't have to pay a speed cost for much of this
582 safety.
583
584 To continue your Rustic education, read [The Rust Programming
585 Language](book/index.html) for a more in-depth exploration of Rust's syntax and
586 concepts.