Einführung in Rust

Rust wurde im Jahr 2010 von Mozilla vorgestellt; Speichersicherheit ohne Garbage Collector ist ein Designziel, und in sicherem Rust prüft der Compiler Ownership- und Borrowing-Regeln zur Compile-Zeit. Sie ordnen die Designprinzipien Safety, Speed und Concurrency ein und beurteilen, wann Rust zu einer Aufgabe passt. In der Lernumgebung schreiben Sie ein kleines Rust-Programm.

Cargo dient als Build-System und Paketmanager; rustup verwaltet Werkzeugversionen; rustc kompiliert Quellcode. Das DevNinjas Dojo, unsere Cloud-Lernumgebung, stellt die Übungen bereit. Dort legen Sie ein Projekt an, bauen es und führen es aus; Formatter und Linter ergänzen den grundlegenden Entwicklungszyklus von der Quelltextänderung bis zur Ausführung.

Rust ist eine statisch typisierte Sprache, unterstützt Type Inference und verwendet Bindungen standardmäßig unveränderlich. In der Lernumgebung arbeiten Sie praktisch mit grundlegenden Datentypen und zusammengesetzten Werten in kleinen Codebeispielen und untersuchen dabei verschiedene Kontrollflusspfade, um zu beobachten, wie Kontrollfluss als Ausdruck Werte direkt liefern kann.

Funktionen verwenden Parameter und Rückgabewerte; Sichtbarkeit begrenzt im Projekt den Zugriff auf Modulelemente, die standardmäßig privat sind. Ein Package bündelt eine oder mehrere Crates; Crates sind Binary Crates oder Library Crates. In der Lernumgebung gliedern Sie ein kleines Package in Module und binden mit Cargo eine externe Crate ein.

Rust unterscheidet besitzende Strings von geliehenen String-Slices. In der Lernumgebung arbeiten Sie mit Vec als dynamischem Array und HashMap für Schlüssel-Wert-Paare; Slices verweisen direkt auf Teile von Datenstrukturen, ohne sie zu kopieren. Damit bereiten Sie Ownership und Borrowing am zweiten Tag vor.

Ownership ordnet jedem Wert einen Besitzer zu und bestimmt, dass Speicher automatisch freigegeben wird, sobald der Besitzer seinen Gültigkeitsbereich verlässt. In der Lernumgebung unterscheiden Sie an mehreren konkreten Werten Move, Copy und Clone und entscheiden passend zum jeweiligen Datentyp, wann Werte kopiert oder verschoben werden.

Borrowing erlaubt Funktionen, Werte über Referenzen zu verwenden, ohne Ownership zu übernehmen. Der Borrow Checker begrenzt dabei gleichzeitig lesende und verändernde Zugriffe. In der Lernumgebung untersuchen Sie in einem überschaubaren Codebeispiel typische Compilerdiagnosen zu geliehenen Referenzen, lesen die Meldungen und beheben die zugrunde liegenden Konflikte gezielt.

Structs bündeln zusammengehörige Daten, Enums modellieren unterschiedliche gültige Zustände. match behandelt alle Varianten eines Enums exhaustiv; if let richtet sich gezielt auf ein einzelnes Muster. In der Lernumgebung modellieren Sie eigene Typen in kleinen Codebeispielen und wenden beide Formen der Musterbehandlung passend auf deren Varianten an.

Result modelliert mit seinen Varianten erfolgreiche Werte und Fehler im Typsystem; Option beschreibt mit ihren Varianten einen vorhandenen oder fehlenden Wert im Typsystem. In der Lernumgebung vergleichen Sie anhand kleiner Codebeispiele unterschiedliche Arten der Fehlerbehandlung und ordnen deren Einsatz ein. Rust behandelt Fehler dabei ohne Exceptions.

Traits beschreiben gemeinsames Verhalten ähnlich Interfaces oder Typklassen; Generics machen Implementierungen über mehrere Typen wiederverwendbar. Trait Bounds schränken zulässige Typen ein und verbinden generisches mit konkret implementiertem Verhalten. In der Lernumgebung schreiben Sie eine generische Funktion mit Trait Bounds und vergleichen sie mit getrennten Implementierungen für einzelne Typen.

Lifetimes beschreiben, wie lange Referenzen gültig bleiben. Der Compiler leitet viele dieser Beziehungen automatisch ab; bei mehreren Referenzen können explizite Annotationen erforderlich sein. In der Lernumgebung arbeiten Sie praktisch mit Lifetime-Annotationen in Funktionen und Structs und wenden die Elisionsregeln praxisnah auf mehrere konkrete Referenzbeziehungen an.

Box ordnet Werte dem Heap zu; das ist besonders für rekursive Datenstrukturen und große Objekte relevant. Rc nutzt Reference Counting für mehrere Besitzer im selben Thread; Arc ermöglicht geteilten Besitz über Threads hinweg. In der Lernumgebung implementieren Sie als praktische Übung eine einfache Baumstruktur mit Box und Rc.

Threads ermöglichen nebenläufige Ausführung; Channels übertragen Nachrichten; Arc ermöglicht geteilten Besitz über Threads, während Mutex den Zugriff auf geteilten Zustand synchronisiert. Send und Sync sind unterschiedliche unsafe Auto-Traits (Marker-Traits): Send erlaubt das Übertragen von Werten zwischen Threads, Sync das sichere Teilen von Referenzen. In der Lernumgebung parallelisieren Sie eine Berechnung und vergleichen die sequentielle mit der parallelen Ausführung.

Async eignet sich für Aufgaben, die auf Ein- und Ausgabe warten. Sie untersuchen, warum Rust für die Ausführung asynchroner Anwendungen eine externe Runtime wie Tokio benötigt. In der Lernumgebung schreiben Sie asynchronen Code in einem kleinen Beispiel, arbeiten mit Tokio-Tasks und untersuchen das Zusammenspiel mit Ownership.

Rust verbindet Unit- und Integrationstests mit seiner Toolchain. Ausführbare Beispiele in der Dokumentation können zugleich als Tests dienen. In der Lernumgebung arbeiten Sie praktisch mit den unterschiedlichen Formen von Unit- und Integrationstests und messen für die jeweils betrachteten Änderungen die Code-Coverage als ergänzende Beobachtung.

Clap unterstützt die strukturierte Verarbeitung von Argumenten in Rust-Kommandozeilenwerkzeugen. Eingabevalidierung prüft die erwartete Form von Argumenten; automatisch erzeugte Hilfe-Texte unterstützen die Benutzerführung. In der Lernumgebung entwickeln Sie selbst ein kleines, klar abgegrenztes Werkzeug für die Kommandozeile und führen diese Bestandteile in einer Lernanwendung zusammen.

Axum ist ein Web-Framework aus dem Tokio-Ökosystem. Sie betrachten Routing, Request-Verarbeitung und Datenaustausch. In der Lernumgebung arbeiten Sie an einem überschaubaren HTTP-Server und verbinden die behandelten Bereiche in einer bewusst klein gehaltenen, klar abgegrenzten Lernanwendung; ein produktionsreifer Dienst gehört nicht zum Umfang.

Serde verbindet Rust-Datentypen mit serialisierten Formaten; JSON dient als konkretes Beispiel. Cargo verwaltet externe Abhängigkeiten und die jeweils dafür gewählten Versionsanforderungen im Projekt. In der Lernumgebung verarbeiten Sie JSON praktisch in einer Webanwendung und lesen die zugehörige begleitende Dokumentation zu externen Crates für diese Verarbeitung.

Closures und Iteratoren bilden einen wichtigen Bestandteil idiomatischen Rust-Codes. Closures verwenden Werte aus ihrer Umgebung; dieser Zugriff steht in direkter Beziehung zum Ownership-Modell. In der Lernumgebung arbeiten Sie praktisch in einem kleinen Datenbeispiel schrittweise mit Iteratoren und untersuchen, wie mehrere Verarbeitungsschritte als zusammenhängender Ablauf ausgedrückt werden.

Rust wird für Backend-Dienste eingesetzt; Betriebssysteme und Kernel bilden weitere Einsatzbereiche. Sie betrachten mögliche Vertiefungen: WebAssembly, Embedded Rust und Linux, und erhalten Hinweise auf weitere Ressourcen. Zum Abschluss sehen Sie, wie Rust-Binaries in Docker-Container verpackt werden, und stellen die Verbindung zum Docker-Workshop her.