Rust運行時指南（官方文檔翻譯）
A Guide to the Rust Runtime, by Alex Crichton and Brian Anderson
翻譯：莊曉立（Liigo），[email protected],G+,Weibo,CSDN,Rust中文圈
日期：2014年2月。
2015年5月20日譯者Liigo注：此文形成於Rust 1.0之前的開發動盪期，目前已經嚴重過時（outdated）！相關設施在Rust 1.0標準化過程中發生了巨大變化（參見RFC #230），Runtime已經不存在了。特此聲明，以免誤導讀者。
Rust編程語言的標準發行版包含兩個運行時庫（libgreen和libnative），提供I/O等基礎設施的統一接口。但對Rust語言本身而言，運行時（runtime）並不是必需的；Rust編譯器可以生成在所有環境中運行的代碼，包括內核（kernel）環境。Rust語言也不需要運行時提供內存安全，因爲它的類型系統本身已經足夠安全——通過編譯時靜態驗證給予保證。運行時只是利用語言的安全特性提供一系列便利的、安全的、高層的抽象。
如果Rust沒有運行時（runtime），我們編程能做的事情非常有限，所以Rust需要提供運行時。這份指導手冊將探討Rust用戶空間（user-space）的運行時、如何使用它、它能做什麼。
1、什麼是運行時？
Rust運行時可以被視爲提供以下功能代碼的組合：輸入/輸出（I/O）、任務孵化（task spawning）、任務本地存儲（TLS）等等。本質上，它提供一少部分對象，爲實現常見功能提供便利支持。Rust運行時自身的實現是自包含的（self-contained），避免干擾其他庫。
運行時目前提供以下功能特性（不完整列表）：
- 輸入/輸出（I/O）
- 任務孵化（task spawning）
- 消息傳遞（message passing）
- 任務同步（task synchronization）
- 任務本地存儲（TLS, task-local storage）
- 日誌（logging）
- 本地堆（local heaps）（GC heaps）
- 任務展開（task unwinding）
1.1、運行時的目標是什麼？
運行時的設計初衷是達成以下目標：
- Rust庫能夠在多種環境中運行，而不需要關心各種環境的具體細節。經常被提及的兩種環境是M:N和1:1。Rust運行時最初首先支持M:N，現在也同時支持了1:1。
- Rust運行時在達成在多種環境中運行的目標時，不需要強制區分不同的編譯模式。一個庫被編譯一次就能在多種不同的環境中永久運行，是我們明確的設計目標。
- Rust運行時應當高效運行。在其架構設計上，不應該有阻止程序高效運行的障礙。但也不是說非得在任何情況下都必須以最快的速度運行。
- Rust運行時應當儘可能對用戶透明。不鼓勵用戶直接與運行時交互。
2、運行時的體系結構
本節將介紹目前的Rust運行時的體系結構。Rust運行時曾經被重寫了幾遍，本節僅涉及當前最新版本。
2.1、本地任務（a local task）
Rust運行時的核心抽象概念是任務（Task）。任務代表了運行Rust代碼的“線程”，但此“線程”並不一定直接對應於操作系統裏的線程。運行時裏的大多數服務都是通過Task提供給用戶，因而可以做到單個任務內部決策。
採用這種策略的結果是，要求所有使用標準庫的Rust代碼，都有一個本地的Task結構體（local Task structure）。該結構體被存儲在操作系統的線程局部存儲（TLS, Thread Local Storage）內部，以便高效訪問。
一定有這麼一個Task結構體存在，是Rust運行時本質上唯一的假定。這是一個核心假定，令所有使用標準庫的代碼受益，因此Task被定義在標準庫內。幾乎所有運行時服務都是通過Task提供的。
2.2、輸入/輸出（I/O）
當處理I/O時，通常有一些約定俗成的方法，但這些方法未必在任何情況下都正確。I/O的處理非常複雜，幾乎不可能在多種環境中使用一致的處理方案。不能保證Rust任務（Task）有權限處理I/O，也不能保證它以何種方式處理I/O。
這意味着，標準庫中無法定義處理I/O功能的具體實現代碼，只能定義一批I/O操作接口，由各環境下的Task各自實現具體功能。這些I/O接口被設計爲以同步I/O調用爲核心。此架構不會根本性的阻礙以其他形式處理I/O，但目前還沒有別的處理方式。
運行時（runtime）必須實現的這些I/O接口被定義在std::rt::rtio模塊內。注意這些接口是不穩定的，是不對用戶公開的（僅作爲標準庫內部實現細節）。
（譯者Liigo注：任務的接口被定義在標準庫libstd中，任務的具體實現被定義在運行時庫libgreen/libnative中。）
2.3、任務孵化（Task spawning）
任務（Task）的一項常見操作是，孵化（spawning）一個子任務（child task），在其中執行某些工作。這意味着並行執行被啓用。如何孵化子任務，沒有一個統一方法（未在標準庫中定義），由各（運行時內的）任務自行決定。
任務孵化被解釋爲“孵化一個子任務（原文爲sibling，疑爲child之筆誤）”，其高層操作接口定義在std::task模塊中。孵化子任務前，可以事先設定子任務的參數，運行時的實現必須依據這些參數，執行具體的孵化行爲。
任務的另一個操作是處理自身的運行狀態，如阻塞（block）和喚醒（wake up）任務。具體操作細節由任務自己決定，標準庫未做規定。
2.4、運行時接口（trait Runtime）和任務結構體（struct Task）
運行時的所有特性都被定義在接口Runtime和結構體Task。在不同運行時庫（libgreen、libnative）中，結構體Task都是相同的，而接口Runtime的實現各不相同。Task內部存儲了Runtime接口的實現對象，因而可以調用其接口函數。
3、運行時的實現（implementations）
Rust發行版提供了兩個運行時庫，分別是1:1線程模型的libnative和M:N線程模型的libgreen。就像許多計算機科學問題一樣，你很難說選擇哪個運行時庫是正確的，它們各自都有優勢和劣勢。下面分別介紹兩個運行時庫提供的功能和沒有的功能，供程序員參考並自行決定選擇使用哪一個。
3.1、1:1 - 使用libnative
libnative運行時庫的實現，是基於操作系統本地線程，加上libc阻塞I/O調用。因其用戶空間的線程一一對應於操作系統線程，而被稱爲1:1線程模型。
在這種模型下，每一個Rust任務（Task）對應於一個操作系統線程，並且每一個I/O對象唯一對應一個文件描述符(fd)（或者其他系統內的對等物）。
使用libnative的一些優勢：
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保證與FFI綁定（外部函數接口綁定）交互操作。即使你調用的外部C庫函數（例如數據庫驅動）阻塞在線程I/O，也不會干擾其他Rust任務（Task）正常執行（因爲它們在不同的系統線程內）。
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在某些情況下相比M:N有更少的I/O損耗。並非所有M:N I/O都保證盡最大可能的快，而且有些東西（比如文件系統API）在某些平臺下不是真正的異步操作，意味着M:N實現可能會比1:1實現引發更多損耗。
3.2、M:N - 使用libgreen
運行時庫libgreen基於異步I/O框架libuv實現了“綠色線程”。M:N線程模型中的M是指當前進程內的操作系統本地線程個數，N是指Rust任務個數（即綠色線程個數）。在這種模型中，M個系統線程調度運行N個Rust綠色線程，在用戶空間中進行線程上下文切換（context switching）。（譯者Liigo注：通常情況下，N遠大於M。）
M:N模型中很重要的一點是，Rust任務不能使用同步系統調用，阻塞任務自身。一旦被阻塞，任務所屬的系統本地線程就整個僵化，無法再運行其他Rus任務。這意味着M個本地線程被（暫時）廢掉了一個（但還有M-1個本地線程繼續工作，因而能夠做到0死鎖）。通過在底層調用異步I/O接口（但從用戶使用的角度看仍然像同步接口），系統本地線程永遠不會阻塞。
libgreen庫沒有任何I/O實現，僅實現了Rust綠色線程的調度器（Schedulers）。真正的I/O實現位於libuv的封裝庫librustuv中。這麼做的目的是希望將來會有不依賴libuv的I/O實現版本（當然目前還沒有）。
使用libgreen的一些優勢：
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任務孵化的速度快。在M:N模型中，孵化新任務（綠色線程）時可以完全避免系統調用，效率更高。
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任務切換的速度快。因爲上下文切換是在用戶空間進行的，所有任務間競爭操作（互斥、管道等）不用執行系統調用，因而速度更快。更高效的上下文切換也會促成更大的吞吐量。
3.2.1、調度器池（Pool of Schedulers）
M:N線程模型基於以下思路構建：通過M個操作系統本地線程（在libgreen中被稱爲M個調度器，它們共同組成一個調度器池），調度運行N個Rust任務（或稱之綠色線程）。通過green::SchedPool類型可以細粒度地控制調度器池。SchedPool還是唯一能夠孵化新的M:N任務的類型。新孵化的任務，跟當前任務一樣，平等的從屬於同一個調度器池。新任務必然持有調度器池的句柄，用於內部調用以便孵化其他任務。
3.3、選擇哪一個？
既然有兩個運行時庫的實現，顯然要做出決定選擇使用哪一個。默認情況下，編譯器總是鏈接其中之一。當前默認的運行時庫是libgreen，但是今後默認的運行時庫將會是libnative。
編譯器默認選擇鏈接一個運行時庫，滿足了用戶的簡單需求。而且這種默認行爲不是強制性的，用戶還可以自行選擇使用哪個運行時庫。
例如，這個程序將鏈接到默認運行時庫：
fn main() {}
然而下面這個程序就是由用戶決定明確的鏈接到特定的運行時庫（libgreen）：
extern mod green;
#[start]
fn start(argc: int, argv: **u8) -> int {
green::start(argc, argv, main);
}
fn main() {}
兩個運行時庫libgreen和libnative都提供了上層的start函數，用於在各自運行時中啓動初始的第一個Rust任務（Task）。
4、運行時在哪裏？
運行時的源代碼分散在以下多個地方：
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譯者Liigo注：這篇文章英文原文多有重複混亂處，而我限於英文水平和Rust技術水平，有時也不能完全理解原意。如有翻譯不周，敬請諒解，並懇請指正。我的聯繫方式在本文開頭。
本文地址：
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- Github：https://github.com/liigo/learn-rust/blob/master/doc/rust-runtime-zh.md
- Gdrive：https://docs.google.com/document/d/1uqW9BfPtop9_Nuj0akGRtotsjO0WfkJj3JZ-5gDLAds
- Rust中文圈：https://plus.google.com/+LiigoZhuang/posts/5wAqgkJxq1m
- PDF可打印版：https://github.com/liigo/learn-rust/raw/master/doc/rust-runtime-zh.pdf
