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Rust versus C++: Unterschiede und Anwendungsfälle erklärt
C++ wurde bereits lange für die Entwicklung verwendet, bevor Rust überhaupt existierte. Bedeutet das, dass Entwickler von C++ zu Rust wechseln sollten? Nicht unbedingt.
Programmierer haben eine große Auswahl, wenn es um die Sprache für ein neues Projekt geht. C++ und Rust eignen sich für Projekte von Software für Browser bis hin zu Videospielen und bieten jeweils eigene Vorteile.
C++ ist eine effiziente und zuverlässige Programmiersprache. Entwickler wählen C++ aufgrund seiner Zuverlässigkeit, Leistung und Skalierbarkeit. Eine umfangreiche Unterstützung von Bibliotheken bietet Funktionen aus der C++ Standard Template Library (STL). Diese Sprache wird für die Systemprogrammierung, die Entwicklung von Videospielen und moderne Anwendungen verwendet, die auf Betriebssystemen und Webbrowsern laufen.
Rust ist eine multiparadigmatische, kompilierte Programmiersprache, die Entwickler als moderne Version von C und C++ betrachten können. Es handelt sich um eine statisch und stark typisierte funktionale Sprache. Rust verwendet eine C++-ähnliche Syntax und bietet Sicherheitsprinzipien, um sicherzustellen, dass Programmierer stabilen und erweiterbaren, asynchronen Code schreiben. Entwickler verwenden Rust für die allgemeine Programmierung, Webentwicklung, Datenwissenschaft und Videospiele sowie für Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Blockchain-Projekte.
C++ kam 1985 auf den Markt, während die erste stabile Version von Rust erst 30 Jahre später, im Jahr 2015, veröffentlicht wurde. Trotz des Altersunterschieds und der zusätzlichen Sicherheitsfunktionen von Rust müssen nicht alle C++-Codebasen auf Rust migriert werden.
Lernen Sie im folgenden Artikel die Eigenschaften von C++ und Rust sowie ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten kennen, um sich zwischen den beiden Programmiersprachen zu entscheiden.
Warum Programmierer Rust verwenden
Die Funktionen von Rust legen den Schwerpunkt auf Thread-Sicherheit, Speicherlayoutkontrolle und Nebenläufigkeit (Concurrency). Die integrierte Security ist ein Pluspunkt für moderne Software und Systeme.
In Systemsprachen kann Nebenläufigkeit fragil und fehleranfällig sein. Solche Schwächen können zu Informationsverlusten und Integritätsdefiziten führen.
Threads ermöglichen die gleichzeitige Ausführung verschiedener Softwarekomponenten. Die Nebenläufigkeit von Threads kann in Software eine Herausforderung darstellen. Rust gewährleistet eine sichere Nebenläufigkeit von Threads, wodurch Microservices-Anwendungen wie erwartet funktionieren. Die Sprache basiert auf dem Ownership-Prinzip, wonach jeder Wert jeweils nur einer einzigen Variablen gehören kann.
In Rust werden Kompilierungseinheiten als Crates bezeichnet. Ein Crate ist eine atomare Codeeinheit für den Rust-Compiler. Rust kompiliert keine Programme, die unsichere Speichernutzung versuchen. Durch Syntax und Sprachmetaphern verhindert der Rust-Compiler, dass Thread- und Speicherprobleme wie Nullzeiger oder hängende Zeiger (Dangling Pointer) und Datenkonflikte in der Produktion auftreten.
Das statische Analyse-Tool im Rust-Compiler, der Borrow Checker, stoppt die Kompilierung, bevor unsicherer Code einen Speicherfehler verursachen kann. Programmierer müssen diese Probleme frühzeitig im Entwicklungsprozess beheben. Der Borrow Checker analysiert, wie sich die Eigentumsrechte an Werten während der Lebensdauer eines Programms ändern können. Werte, die an einer Stelle gespeichert sind, können an anderen Stellen im Code ausgeliehen werden. Der Borrow Checker verwendet diese Regeln, um Datenkonflikte in nebenläufigem Code zu verhindern.
Der Compiler verwaltet auch die Verteilung der Eigentumsrechte und die Speicherzuweisung zwischen Objekten, um Probleme zur Laufzeit zu vermeiden. Die Speichersicherheit verhindert Pufferüberläufe (Buffer Overflow) und schützt vor einer Klasse von Fehlern im Zusammenhang mit dem Zugriff auf und der Verwendung von Speicher. Das bedeutet beispielsweise, dass eine Erhöhung der Menge an Rust-Code in einer browserbasierten Anwendung die Angriffsfläche für Sicherheitslücken und Schwachstellen verringert.
Rust bietet außerdem leistungsstarke Abstraktionen. Der Installer rustup richtet die Entwicklungsumgebung und Cross-Compiling ein. Alle Elemente, die zur Erstellung von Rust-Binärdateien erforderlich sind, sind im selben Paket enthalten.
Erste Schritte mit Rust
Entwickler, die Rust noch nicht kennen, können sich die Grundprinzipien der Sprache aneignen, indem sie den Paketmanager Cargo erlernen, der zahlreiche API-Bindungen zu gängigen Bibliotheken und Frameworks bietet. Actix Web und Rocket sind beliebte Web-Frameworks für Rust.
Da die Cargo-Bibliothek die Effektivität von Crates nicht bewertet, müssen Entwickler experimentieren oder die Rust-Community um Input bitten. Die Rust-Community ist integrativ und hilfsbereit. Die Rust Foundation unterstützt sinnvolle Beiträge zum Ökosystem, fördert die Verbreitung von Rust und die Einführung der Sprache. Sie hat die Sprache von Mozilla übernommen, wo sie als Nebenprojekt in Mozilla Research begann.
Warum Programmierer C++ verwenden
C++ entstand als Erweiterung der Sprache C für die plattformübergreifende Programmierung. Es bietet effektive Funktionen, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit. Es hat einen dreijährigen Release-Zyklus, in dem regelmäßig neue Funktionen eingeführt werden. Die Version C++23 wurde 2023 veröffentlicht, die Entwicklung von C++26 läuft derzeit.
C++ hat eine komplexere Syntax als einige andere Sprachen und einen hohen Abstraktionsgrad, bietet aber Vorteile für die moderne Entwicklung. Ein hoher Abstraktionsgrad ermöglicht es Entwicklern, Details der Hardware- und Betriebssystemimplementierung zu kapseln. Sie eignet sich für eingebettete Systeme, bei denen der Code nah an der Hardware sein muss, wie zum Beispiel IoT-Geräte, Smartwatches und medizinische Geräte.
Abstrakte Klassen drücken rein virtuelle Funktionen aus. Programmierer können sich auf die Gruppierung von Klassen konzentrieren, um die Codebasis eines Programms übersichtlich und verständlich zu gestalten. Abstraktion reduziert auch Programmduplikate und fördert die Wiederverwendbarkeit. Entwickler können außerdem den Schutz von Programmen durch Abstraktion im Design verbessern und so sicherstellen, dass Benutzer nur relevante Daten sehen.
C++ ist eine kompilierte Sprache, bei der der geschriebene Code direkt in Maschinencode übersetzt wird. Diese Konstruktion macht die Sprache schnell, effizient und flexibel. C++ nutzt die Hardwarefähigkeiten, um die Skalierbarkeit durch Low-Level-Steuerung zu beschleunigen. Diese Eigenschaft eignet sich für Videospiele, grafische Oberflächen (GUI), wissenschaftliche Simulationen und Finanzanwendungen. Es kann große Datenmengen verarbeiten und ist daher effektiv für die Verarbeitung der riesigen Datensätze, die für immersive 3D-AR/VR-Erlebnisse erforderlich sind.
Die Speicherverwaltung von C++ weist Speicher zur Laufzeit zu und gibt ihn frei, wenn er nicht mehr benötigt wird. Der freie Speicherzugriff in C++ kann zu Pufferüberläufen und Stapelüberlaufschwachstellen (Stack Overflow) führen. Diese Sicherheitsmängel erfordern Zeit und Ressourcen für die Fehlersuche, was ein Nachteil von C++ ist. Diese Probleme betreffen insbesondere Bereiche, in denen eingebettete Sprachen verwendet werden, wie beispielsweise die Automobil- und Medizinbranche sowie die Luft- und Raumfahrt. Sicherheitsrichtlinien für C++ gewährleisten die Speichersicherheit der Sprache.
Der Code in der STL wird von Community-Mitgliedern getestet und geprüft. Die Arbeit der Community ermöglicht es Programmierern, ihren Code zu vereinfachen, saubereren und schnelleren Code zu schreiben und Wartungsprobleme zu vermeiden. Die Bibliothek enthält auch generische Algorithmen und legt die Syntax und Semantik für diese Befehle fest. Die Leistungsanforderungen für diese Algorithmen entsprechen anerkannten Standards und Benchmarks.
Erste Schritte mit C++
Für die Programmierung in C++ sind ein Texteditor und ein Compiler erforderlich. Viele Anfänger entscheiden sich für integrierte Entwicklungsumgebungen (IDE) wie Visual Studio oder Code::Blocks, die Tools und andere Funktionen für Benutzer bündeln. Für eine individuellere Konfiguration kombinieren Sie einen Texteditor wie Vim oder Sublime Text mit einem eigenständigen Compiler wie GNU Compiler Collection oder Clang.
Mit zunehmender Erfahrung sollten sich Entwickler mit der C++ STL vertraut machen und die offizielle Website konsultieren, die umfassende Dokumentationen und Tutorials bietet. Darüber hinaus ist die C++-Community sehr aktiv und hilfsbereit. Foren wie Stack Overflow und der C++-Subreddit bieten Unterstützung für Einsteiger. Entwickler können auch lokalen Benutzergruppen beitreten oder Konferenzen wie CppCon besuchen, um sich zu vernetzen und über die neuesten Entwicklungen im Ökosystem auf dem Laufenden zu bleiben.
Wichtige Unterschiede zwischen Rust und C
Rust und C++ sind zwar beide leistungsstarke Low-Level-Sprachen für die Systemprogrammierung, unterscheiden sich jedoch erheblich in Bezug auf ihr Design, ihre Funktionen und ihre Anwendungsfälle.
Speicherverwaltung
Rust verwendet ein einzigartiges Eigentumssystem mit Ausleihregeln, die zur Kompilierungszeit durchgesetzt werden – ein Modell, das ohne Garbage Collector die Speichersicherheit gewährleistet, Probleme wie Dangling Pointer und Datenkonflikte verhindert und undefiniertes Verhalten eliminiert.
C++ verfolgt einen anderen Ansatz und bietet Entwicklern direkte Kontrolle über die Zuweisung und Freigabe von Speicher. Es ist erwähnenswert, dass modernes C++ zwar Smart Pointer und RAII (Resource Acquisition Is Initialization) eingeführt hat, um Speicherprobleme zu mindern, aber dennoch undefiniertes Verhalten zulässt, das zu Sicherheitslücken führen kann.
Standardbibliothek
Die von Rust verwendete Standardbibliothek ist minimalistisch aufgebaut und konzentriert sich auf Kernfunktionen. Alle zusätzlichen Funktionen sind über externe Crates verfügbar, die vom Paketmanager Cargo bereitgestellt werden.
Die STL von C++ ist umfassender und bietet eine große Auswahl an Containern, Algorithmen und vorgefertigten Dienstprogrammen. Dies kann zu größeren Binärdateien führen, bietet jedoch mehr integrierte Funktionen, was besonders für komplexe Anwendungen wie Betriebssysteme nützlich ist.
Metaprogrammierung
C++ verwendet Template-Metaprogrammierung, die leistungsstarke Berechnungen zur Kompilierungszeit ermöglicht. Dies kann jedoch zu einer komplexen Syntax und längeren Kompilierungszeiten führen.
Rust verwendet vor allem Makros für die Metaprogrammierung. Obwohl Rust in einigen Aspekten weniger leistungsfähig ist als C++-Templates, bietet es einen einheitlicheren und oft besser lesbaren Ansatz für die generische Programmierung.
Fehlerbehandlung
Rust verwendet den Typ Result für die Fehlerbehandlung und fördert damit die explizite Fehlerprüfung und -weitergabe.
Im Gegensatz dazu verwendet C++ traditionell Ausnahmen, die zu Leistungseinbußen und potenziellen Ressourcenlecks führen können, wenn sie nicht richtig behandelt werden. Modernes C++ führt außerdem std::optional und std::expected ein, die einen expliziteren Ansatz ermöglichen.
Kompilierung
Das Kompilierungsmodell für Rust ist modular aufgebaut und verwendet Crates als Grundeinheit, was schnellere inkrementelle Builds und eine bessere Abhängigkeitsverwaltung ermöglicht.
Die traditionelle Kompilierung in C++ basiert auf dem Präprozessor und der separaten Kompilierung von Übersetzungseinheiten. Dieser Ansatz ist zwar flexibel, kann jedoch zu längeren Build-Zeiten führen, insbesondere bei großen Projekten mit komplexen Hierarchien. Die in C++20 eingeführten Module sollen einige dieser Probleme beheben, befinden sich jedoch noch in der Phase der flächendeckenden Einführung.
Wie sieht die Zukunft von Rust und C++ aus?
Die Zukunft von Rust und C++ ist ein dynamisches Bild der Koexistenz und des allmählichen Übergangs. Während C++ nach wie vor eine treibende Kraft in der Systemprogrammierung, der Spieleentwicklung und bei Betriebssystemen ist, gewinnt Rust aufgrund seines Fokus auf Speichersicherheit und Nebenläufigkeit deutlich an Bedeutung.
Entwickler werden von einigen Behörden dazu ermutigt, sicherere Programmiersprachen wie Rust gegenüber C++ und C zu bevorzugen, insbesondere für kritische Infrastrukturen und sicherheitssensible Anwendungen. C++ wird jedoch nicht verschwinden. Sein umfangreiches Ökosystem, seine weitreichende Codebasis in kritischen Systemen und seine kontinuierliche Weiterentwicklung sichern seine Relevanz für die kommenden Jahre.
Wahrscheinlich werden beide Low-Level-Sprachen weiterhin nebeneinander bestehen. Rust kann nach und nach Bereiche übernehmen, in denen Speichersicherheit von größter Bedeutung ist, während C++ seine Stellung in leistungskritischen und älteren Systemen behaupten wird.
