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Gopher的Rust第一课:Rust代码组织

本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/06/06/gopher-rust-first-lesson-organizing-rust-code

在上一章的讲解中,我们编写了第一个Rust示例程序”hello, world”,并给出了rustc版和cargo版本。在真实开发中,我们都会使用cargo来创建和管理Rust包。不过,Hello, world示例非常简单,仅仅由一个Rust源码文件组成,而且所有源码文件都在同一个目录中。但真实世界中的实用Rust程序,无论是公司商业项目,还是一些知名的开源项目,甚至是一些稍复杂一些的供教学使用的示例程序,它们通常可不会这么简单,都有着复杂的代码结构。

Rust初学者在阅读这些项目源码时便仿佛进入了迷宫,不知道该走哪条(阅读代码的)路径,不知道每个目录代表的含义,也不知道自己想看的源码究竟在哪个目录下。但目前市面上的Rust入门教程大多没有重视初学者的这一问题,要么没有对Rust项目代码组织结构进行针对性的讲解,要么是将讲解放到书籍的后面章节。

根据我个人的学习经验来看,理解一个实用Rust项目的代码组织结构越早,对后续的Rust学习越有益处。同时,掌握Rust项目的代码组织结构也是Rust开发者走向编写复杂Rust程序的必经的一步。并且,初学者在了解项目的代码组织结构后,便可以自主阅读一些复杂的Rust项目的源码,可提高Rust学习的效率,提升学习效果。因此,我决定在介绍Rust基础语法之前先在本章中系统地介绍Rust的代码组织结构,以满足很多Rust初学者的述求。

但在介绍Rust代码组织结构之前,我们需要先来系统说明一下Rust代码组织结构中的几个重要概念,它们是了解Rust项目代码组织结构的前提。

4.1 回顾Go代码组织

Go项目代码组织由module和package两级组成。通常来说,每个Go repo就是一个module,由repo根目录下的go.mod定义,go.mod文件所在目录也被称为module root。go.mod中典型内容如下:

// go.mod
module github.com/user/mymodule[/vN]

go 1.22.1

... ...

go.mod中的module directive一行后面的github.com/user/mymodule/[vN]是module path。module path一来可以反映该module的具体网络位置,同时也是该module下面的Go package导入(import)路径的组成部分。module root下的子目录中通常存放着该module下面的Go package,比如module root/foo目录下存放的Go包的导入路径为github.com/user/mymodule[/vN]/foo。

Go package是Go的编译单元,也是功能单元,代码内外部导入和引用的单位也都是包。而go module是后加入的,更多用于管理包的版本(一个module下的所有包都统一进行版本管理)以及构建时第三方依赖和版本的管理。

更多关于Go module和package管理以及Go项目布局的内容,可以详见我的极客时间《Go语言第一课》专栏。

个人认为Go的module和package的两级管理还是很好理解和管理的,在这方面Rust的代码组织形式又是怎样的呢?接下来,我们就来正式看看Rust的代码组织。

4.2 rustc-only的Rust项目

Rust是系统编程语言,这让我想起了当初在Go成为我个人主力语言之前使用C/C++进行开发的岁月。C/C++是没有像go或Rust的cargo那样的统一的包依赖管理器和项目构建管理工具的。编译器(如gcc等)是核心工具,而项目构建管理则经常由其他工具负责,如Makefile、CMake,或者是Google的Bazel等。在Windows上开发应用的,则往往使用微软或其他开发者工具公司提供的IDE,如当年炙手可热的Visual Studio系列。

下面表格展示了各语言的编译器/链接器和构建管理工具的关系:

像cargo、go这样的“一站式”工具链都旨在为开发者提供体验更为友好的交互接口的,在幕后,它们仍然依赖于底层的编译器和链接器(如rustc和go tool compile/link)来执行实际的代码编译。

不过,像cargo这样的高级工具也给开发人员带来了额外的抽象,或是叫“掩盖”了一些真相,这有时候让人看不清构建过程的本质,比如:很多Gopher用了很多年Go,但却不知道go tool compile/link的存在。

本着只有in hard way,才能看到和抓住本质的思路,以及之前学习用系统编程语言C/C++时经验,这里我们先来看一些rustc-only的Rust项目。Rustc-only的Rust项目是指不使用Cargo创建和管理的Rust项目,而是直接使用rustc编译器来编译和构建项目。这意味着开发者需要编写自己的构建脚本,例如使用Makefile或其他构建工具来管理项目的构建过程。

不过,请注意:这类项目极少用于生产,即便是那些不需要复杂的依赖管理的小型项目。这里使用rustc-only的Rust项目仅仅是为了学习和了解Rustc编译器的主要功能机制以及Rust语言在代码组织上的一些抽象,比如module等。

下面我们就从最简单的rustc-only项目开始,先来看看只有一个Rust源文件且无其他依赖项的“最简项目”。

4.2.1 单文件项目

所谓单文件项目,即只有一个Rust源文件,例如前面章节中的hello_world.rs,这种项目可以直接使用rustc编译器来编译和运行:

// rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/rustc-only/single/hello-world/hello_world.rs
fn main() {
    println!("Hello, world!");
}

对于顶层带有main函数的源文件,rustc会默认将其视为binary crate类型的源文件,并将其编译为可执行二进制文件hello_world。

我们当然也可以强制的让rustc将该源文件视为library crate类型的源文件,并将其编译为其他类型的crate输出文件,rustc支持多种crate type:

      --crate-type [bin|lib|rlib|dylib|cdylib|staticlib|proc-macro]
                        Comma separated list of types of crates
                        for the compiler to emit

rustc的文档中,各种crate类型的含义如下:

lib — Generates a library kind preferred by the compiler, currently defaults to rlib.
rlib — A Rust static library.
staticlib — A native static library.
dylib — A Rust dynamic library.
cdylib — A native dynamic library.
bin — A runnable executable program.
proc-macro — Generates a format suitable for a procedural macro library that may be loaded by the compiler.

不过,如果强制将带有顶层main函数的rust源文件视为lib crate型的,那么rustc将会报warning,提醒你函数main将是死代码,永远不会被用到:

$rustc --crate-type lib hello_world.rs
warning: function `main` is never used
 --> hello_world.rs:1:4
  |
1 | fn main() {
  |    ^^^^
  |
  = note: `#[warn(dead_code)]` on by default

warning: 1 warning emitted

但即便如此,一个名为libhello_world.rlib的文件依然会被rustc生成出来!(目前–crate-type lib等同于–create-type rlib)。

4.2.2 有外部依赖项的单文件项目

日常开发中,像上面的Hello, World级别的trivial应用是极其少见的,一个non-trivial的Rust应用或多或少都会有一些依赖。这里我们也来看一下如何基于rustc来构建带有外部依赖的单文件项目。下面是一个带有外部依赖的示例:

// organizing-rust-code/rustc-only/single/hello-world-with-deps/hello_world.rs
extern crate rand;

use rand::Rng;

fn main() {
    let mut rng = rand::thread_rng();
    let num: u32 = rng.gen();
    println!("Random number: {}", num);
}

这个示例程序依赖一个名为rand的crate,要编译该程序,我们必须先手动下载rand的crate源码,并在本地将rand源码编译为示例程序所需的rust library。下面步骤展示了如何下载和构建rand crate:

$curl -LO https://crates.io/api/v1/crates/rand/0.8.5/download
$tar -xvf download

解压后,我们将看到rand-0.8.5这样的一个crate目录,进入该目录,我们执行cargo build来构建rand crate:

$cd rand-0.8.5
$cargo build
... ...
   Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.19s

cargo构建出的librand.rlib就在rand-0.8.5/target/debug下。

注:rlib的命名方式:lib+{crate_name}.rlib

接下来,我们就来构建一下依赖rand crate的hello_world.rs:

// 在organizing-rust-code/rustc-only/single/hello-world-with-deps下面执行

$rustc --verbose  -L ./rand-0.8.5/target/debug  --extern rand=librand.rlib hello_world.rs
error[E0463]: can't find crate for `rand_core` which `rand` depends on
 --> hello_world.rs:1:1
  |
1 | extern crate rand;
  | ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ can't find crate

error: aborting due to 1 previous error

For more information about this error, try `rustc --explain E0463`.

我们看到rustc的编译错误提示:无法找到rand crate依赖的rand_core crate!也就是说我们除了向rustc提供hello_world.rs依赖的rand crate之外,还要向rustc提供rand crate的各种依赖!

rand crate的各种依赖在哪里呢?我们在构建rand crate时,cargo build将各种依赖都放在了rand-0.8.5/target/debug/deps目录下了:

$ls -l|grep ".rlib"
-rw-r--r--   1 tonybai  staff     6896  4 29 06:45 libcfg_if-cd6bebf18fb9c234.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff   204072  4 29 06:45 libgetrandom-df6a8e95e188fc56.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff  1651320  4 29 06:45 liblibc-f16531562d07b476.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff   959408  4 29 06:45 libppv_lite86-f1d97d485bc43617.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff  1784376  4 29 06:45 librand-9a91ea8db926e840.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff   987936  4 29 06:45 librand_chacha-6fe22bd8b3bb228c.rlib
-rw-r--r--   1 tonybai  staff   256768  4 29 06:45 librand_core-fc905f6ca5f8533b.rlib

我们看到其中还包含了librand自身:librand-9a91ea8db926e840.rlib。我们来试试基于deps目录下的这些依赖rlib编译一下:

$rustc --verbose  --extern rand=rand-0.8.5/target/debug/deps/librand-9a91ea8db926e840.rlib -L rand-0.8.5/target/debug/deps  --extern rand_core=librand_core-fc905f6ca5f8533b.rlib --extern getrandom=libgetrandom-df6a8e95e188fc56.rlib --extern cfg_if=libcfg_if-cd6bebf18fb9c234.rlib --extern libc=liblibc-f16531562d07b476.rlib --extern rand_chacha=librand_chacha-6fe22bd8b3bb228c.rlib --extern ppv_lite86=libppv_lite86-f1d97d485bc43617.rlib  hello_world.rs

我们用rustc成功编译了带有外部依赖的Rust源码。不过这里要注意的是rustc对直接依赖和间接依赖的crate的定位方式有所不同。

对于直接依赖的crate,比如这里的rand crate,我们需要给出具体路径,它不依赖-L的位置指示,所以这里我们使用了–extern rand=rand-0.8.5/target/debug/deps/librand-9a91ea8db926e840.rlib。

对于间接依赖的crate,比如rand crate依赖的rand_core,rust会结合-L指示的位置以及–extern一起来定位,这里-L指示路径为rand-0.8.5/target/debug/deps,–extern rand_core=librand_core-fc905f6ca5f8533b.rlib,那么rustc就会在rand-0.8.5/target/debug/deps下面搜索librand_core-fc905f6ca5f8533b.rlib是否存在。

我们运行rustc构建出的可执行文件,输出如下:

$./hello_world
Random number: 431751199

4.2.3 有外部依赖的多文件项目

在Go中,如果某个目录下有多个源文件,那么通常这几个源文件均归属于同一个Go包(可能的例外的是*_test.go文件的包名)。但在Rust中,情况就会变得复杂了一些,我们来看一个例子:

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps

$tree -F -L 2
.
├── main.rs
├── sub1/
│   ├── bar.rs
│   ├── foo.rs
│   └── mod.rs
└── sub2.rs

在这个示例中,我们看到除了main.rs之外,还有一个sub2.rs以及一个目录sub1,sub1下面还有三个rs文件。我们从main.rs开始,逐一看一下各个源文件的内容:

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps/main.rs
 1 extern crate rand;
 2 use rand::Rng;
 3
 4 mod sub1;
 5 mod sub2;
 6
 7 mod sub3 {
 8     pub fn func1() {
 9         println!("called {}::func1()", module_path!());
10     }
11     pub fn func2() {
12         self::func1();
13         println!("called {}::func2()", module_path!());
14         super::func1();
15     }
16 }
17
18 fn func1() {
19     println!("called {}::func1()", module_path!());
20 }
21
22 fn main() {
23     println!("current module: {}", module_path!());
24     let mut rng = rand::thread_rng();
25     let num: u32 = rng.gen();
26     println!("Random number: {}", num);
27
28     sub1::func1();
29     sub2::func1();
30     sub3::func2();
31 }

在main.rs中,我们除了看到了第1~2行的对外部rand crate的依赖外,我们还看到了一种新的语法元素:rust module。这里涉及sub1~sub3三个module,我们分别来看一下。先来看一下最直观的、定义在main.rs中的sub3 module。

第7行~第16行的代码定义了一个名为sub3的module,它包含两个函数func1和func2,这两个函数前面的pub关键字表明他们是sub3 module的publish函数,可以被module之外的代码所访问。任何未标记为pub的函数都是私有的,只能在模块内部及其子模块中使用。

在sub3 module的func2函数中,我们调用了self::func1()函数,self指代是模块自身,因此这个self::func1()函数就是sub3的func1函数。而接下来调用的super::func1()调用的语义你大概也能猜到。super指代的是sub3的父模块,而super::func1()就是sub3的父模块中的func1函数。

sub3的父模块就是这个项目的顶层模块,我们在main函数的入口处使用module_path!宏输出了该顶层模块的名称。

和sub3在main.rs中定义不同,sub1和sub2也分别代表了另外两种module的定义方式。

当Rust编译器看到第4行mod sub1后,它会寻找当前目录下是否有名为sub1.rs的源文件或是sub1/mod.rs源文件。在这个示例中,sub1定义在sub1目录下的mod.rs中:

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps/sub1/mod.rs

pub mod bar;
pub mod foo;

pub fn func1() {
    println!("called {}::func1()", module_path!());
    foo::func1();
    bar::func1();
}

我们看到sub1/mod.rs中定义了一个公共函数func1,同时也在最开始处又嵌套定义了bar和foo两个module,并在func1中调用了两个嵌套子module的函数:

bar和foo两个module都是使用单文件module定义的,编译器会在sub1目录下搜寻foo.rs和bar.rs:

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps/sub1/foo.rs
pub fn func1() {
    println!("called {}::func1()", module_path!());
}

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps/sub1/bar.rs
pub fn func1() {
    println!("called {}::func1()", module_path!());
}

而main.rs中的sub2也是一个单文件的module,其源码位于顶层目录下的sub2.rs文件中:

// organizing-rust-code/rustc-only/multi/multi-file-with-deps/sub2.rs
pub fn func1() {
    println!("called {}::func1()", module_path!());
}

现在我们来编译和执行一下这个既有外部依赖,又是多文件且有多个module的rustc-only项目:

$rustc --verbose  --extern rand=rand-0.8.5/target/debug/deps/librand-9a91ea8db926e840.rlib -L rand-0.8.5/target/debug/deps  --extern rand_core=librand_core-fc905f6ca5f8533b.rlib --extern getrandom=libgetrandom-df6a8e95e188fc56.rlib --extern cfg_if=libcfg_if-cd6bebf18fb9c234.rlib --extern libc=liblibc-f16531562d07b476.rlib --extern rand_chacha=librand_chacha-6fe22bd8b3bb228c.rlib --extern ppv_lite86=libppv_lite86-f1d97d485bc43617.rlib  main.rs 

$./main
current module: main
Random number: 2691905579
called main::sub1::func1()
called main::sub1::foo::func1()
called main::sub1::bar::func1()
called main::sub2::func1()
called main::sub3::func1()
called main::sub3::func2()
called main::func1()

上面示例演示了三种rust module的定义方法:

  1. 直接将定义嵌入在某个rust源文件中:
mod module_name {

}
  1. 通过module_name.rs
  2. 通过module_name/mod.rs

在一个单crate的项目中,通过rust module可以满足项目内部代码组织的需要。

最后,我们再来看一个有多个crate的项目形式。

4.2.4 有多个crate的项目

下面是一个有着多个crate项目的示例:

// organizing-rust-code/rustc-only/workspace

$tree -L 2 -F
.
├── main.rs
├── my_local_crate1/
│   └── lib.rs
└── my_local_crate2/
    └── lib.rs

在这个示例中有三个crate,一个是顶层的binary类型的crate,入口为main.rs,另外两个都是lib类型的crate,入口都在lib.rs中,我们贴一下他们的源码:

// organizing-rust-code/rustc-only/workspace/main.rs
extern crate my_local_crate1;
extern crate my_local_crate2;

fn main() {
    let x = 5;
    let y = my_local_crate1::add_one(x);
    let z = my_local_crate2::multiply_two(y);
    println!("Result: {}", z);
}

// organizing-rust-code/rustc-only/workspace/my_local_crate1/lib.rs
pub fn add_one(x: i32) -> i32 {
    x + 1
}

// organizing-rust-code/rustc-only/workspace/my_local_crate2/lib.rs
pub fn multiply_two(x: i32) -> i32 {
    x * 2
}

要构建这个带有三个crate的项目,我们需要首先编译my_local_crate1和my_local_crate2这两个lib crates:

$rustc --crate-type lib --crate-name my_local_crate1 my_local_crate1/lib.rs
$rustc --crate-type lib --crate-name my_local_crate2 my_local_crate2/lib.rs

这会在项目顶层目录下生成两个rlib文件:

$ls  |grep rlib
libmy_local_crate1.rlib
libmy_local_crate2.rlib

之后,我们就可以用之前学到的方法编译binary crate了:

$rustc --extern my_local_crate1=libmy_local_crate1.rlib --extern my_local_crate2=libmy_local_crate2.rlib main.rs

上述的几个rustc-only的rust项目都是hard模式的,即一切都需要手工去做,包括下载crate、编译crate时传入各种路径等。在真正的生产中,Rustacean们是不会这么做的,而是会直接使用cargo对rust项目进行管理。接下来,我们就来系统地看一下使用cargo进行rust项目管理以及对应的rust代码组织形式。

4.3 使用cargo管理的Rust项目

在前面的章节中,我们见识过了:Rust的包管理器Cargo是一个强大的工具,可以帮助我们轻松地管理Rust项目,cargo才是生产类项目的项目构建管理工具标准,它可以让Rustacean避免复杂的手工rustc操作。Cargo提供了许多功能,包括依赖项管理、构建和测试等。不过在这篇文章中,我不会介绍这些功能,而是看看使用cargo管理的Rust项目都有哪些代码组织模式。

Rust项目的代码组织结构可以分为两类:单一package和多个package。

什么是package?在之前的rust-only项目中,我们可从未见到过package!package是cargo引入的一个管理单元概念,它指的是一个独立的Rust项目,包含了源代码、依赖项和配置信息。每个Package都有一个唯一的名称和版本号,用于标识和管理项目。因此,在the cargo book中,cargo也被称为“Rust package manager”,crates.io也被称为“the Rust community’s package registry”。

最能直观体现package存在的就是下面Cargo.toml中的配置了:

[package]
name = "hello_world"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]

下面我们就来看看不同类型的rust package的代码组织形式。我们先从单一package形态的项目来开始。

4.3.1 单一package的rust项目

单一package项目是指整个项目只有一个Cargo.toml文件。这种项目还可以进一步分为三类:

  1. 单一Binary Crate
  2. 单一Library Crate
  3. 多个Binary Crate和一个Library Crate

下面我们分别举例来说明一下这三类项目。

4.3.1.1 单一Binary Crate

我们进入organizing-rust-code/cargo/single-package/single-binary-crate,然后执行下面命令来创建一个单一Binary Crate的项目:

$cargo new hello_world --bin
     Created binary (application) `hello_world` package

这个例子我们在之前的章节中也是见过的,它的结构如下:

$tree hello_world
hello_world
├── Cargo.toml
└── src
    └── main.rs

1 directory, 2 files

默认生成的Cargo.toml内容如下:

[package]
name = "hello_world"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

使用cargo build即可完成该项目的构建:

$cargo build
   Compiling hello_world v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/single-package/single-binary-crate/hello_world)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.16s

为了更显式地体现这是一个binary crate,我们可以在Cargo.toml增加如下内容:

[[bin]]
name = "hello_world"
path = "src/main.rs"

这不会影响cargo的构建结果!

通过cargo run可以查看构建出的可执行文件的运行结果:

$cargo run
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.06s
     Running `target/debug/hello_world`
Hello, world!

接下来,我们再来看看单一library crate的rust项目。

4.3.1.2 单一Library Crate

我们进入organizing-rust-code/cargo/single-package/single-library-crate,然后执行下面命令来创建一个单一Library Crate的项目:

$cargo new my_library --lib
     Created library `my_library` package

创建后的my_library项目的结构如下:

$tree
.
├── Cargo.toml
└── src
    └── lib.rs

默认生成的Cargo.toml如下:

[package]
name = "my_library"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

和binary crate的一样,我们也可以显式指定target:

[lib]
name = "my_library"
path = "src/lib.rs"

注意,这里是[lib]而不是[[lib]],这是因为在一个carge package中最多只能存在一个library crate,但binary crate可以有多个。

接下来,我们就看看一个由多个binary crate和一个library crate混合构成的rust项目。

4.3.1.3 多个Binary Crate和一个Library Crate

我们在organizing-rust-code/cargo/single-package/hybrid-crates下面执行如下命令创建这个多crates混合项目:

$cargo new my_project
     Created binary (application) `my_project` package

上述命令默认创建了一个binary crate的project,我们需要配置一下Cargo.toml,将其改造为多个crates并存的project:

[package]
name = "my_project"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[[bin]]
name = "cmd1"
path = "src/main1.rs"

[[bin]]
name = "cmd2"
path = "src/main2.rs"

[lib]
name = "my_library"
path = "src/lib.rs"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

这里定义了三个crates。两个binary crates: cmd1、cmd2以及一个library crate:my_library。

如果我们执行cargo build,cargo会将三个crate都构建出来:

$cargo build
   Compiling my_project v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/single-package/hybrid-crates/my_project)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.80s

我们可以在target/debug下找到构建出的crates:cmd1、cmd2和libmy_library.rlib:

$ls target/debug
build/          cmd1.d          cmd2.d          examples/       libmy_library.d
cmd1*           cmd2*           deps/           incremental/        libmy_library.rlib

我们也可以通过cargo分别运行两个binary crate:

$cargo run --bin cmd1
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.02s
     Running `target/debug/cmd1`
cmd1

$cargo run --bin cmd2
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
     Running `target/debug/cmd2`
cmd2

4.3.1.4 典型的cargo package

在The cargo book中,有一个典型的cargo package的示例:

.
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
├── src/
│   ├── lib.rs
│   ├── main.rs
│   └── bin/
│       ├── named-executable.rs
│       ├── another-executable.rs
│       └── multi-file-executable/
│           ├── main.rs
│           └── some_module.rs
├── benches/
│   ├── large-input.rs
│   └── multi-file-bench/
│       ├── main.rs
│       └── bench_module.rs
├── examples/
│   ├── simple.rs
│   └── multi-file-example/
│       ├── main.rs
│       └── ex_module.rs
└── tests/
    ├── some-integration-tests.rs
    └── multi-file-test/
        ├── main.rs
        └── test_module.rs

在这样一个典型的项目中:

  • Cargo.toml和Cargo.lock文件存储在包的根目录(包根目录)中。
  • 源代码位于src目录中。
  • 默认的库文件是src/lib.rs。
  • 默认的可执行文件是src/main.rs。
  • 其他可执行文件可以放在src/bin/目录中。
  • 基准测试位于benches目录中。
  • 示例位于examples目录中。
  • 集成测试位于tests目录中。

4.3.2 多package的rust项目

一些中大型的Rust项目都是多package的,比如rust的异步编程事实标准tokio库、刚刚升级为Apache基金会顶级项目的SQL查询引擎datafusion等。以tokio为例,这些项目的顶层Cargo.toml都是这样的:

// https://github.com/tokio-rs/tokio/blob/master/Cargo.toml
[workspace]
resolver = "2"
members = [
  "tokio",
  "tokio-macros",
  "tokio-test",
  "tokio-stream",
  "tokio-util",

  # Internal
  "benches",
  "examples",
  "stress-test",
  "tests-build",
  "tests-integration",
]

[workspace.metadata.spellcheck]
config = "spellcheck.toml"

上面这个Cargo.toml示例与我们在前面见到的Cargo.toml都不一样,它并不包含package配置,其主要的配置为workspace。我们看到workspace的members字段中配置了该项目下的其他package。正是通过这个配置,cargo可以在一个项目里管理和构建多个package。

工作空间(Workspace)是一组一个或多个包(Package)的集合,这些包称为工作空间成员(Workspace Members),它们一起被管理。接下来,我们就来创建一个多package的cargo项目。

4.3.2.1 cargo管理的多package项目

由于cargo并没有提供cargo new my-pakcage –workspace这样的命令行参数,项目的顶层Cargo.toml需要我们手动创建和编辑。

$cd organizing-rust-code/cargo/multi-packages
$mkdir my-workspace
$cd my-workspace
$cargo new package1 --bin
     Created binary (application) `package1` package
$cargo new package2 --lib
     Created library `package2` package
$cargo new package3 --lib
     Created library `package3` package

接下来,我们手工创建和编辑一下项目顶层的Cargo.toml如下:

// organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/Cargo.toml
[workspace]
resolver = "2"
members = [
    "package1",
    "package2",
    "package3",
]

保存后,我们可以在项目顶层目录下使用下面命令检查整个工作空间(workspace)中的所有包(package),确保它们的代码正确无误,不包含任何编译错误:

$cargo check --workspace
    Checking package1 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package1)
    Checking package2 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package2)
    Checking package3 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package3)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.18s

在顶层目录执行cargo build,cargo会build工作空间中的所有package:

$cargo build
   Compiling package3 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package3)
   Compiling package2 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package2)
   Compiling package1 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace/package1)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.64s

构建后,该项目的目录结构变成下面这个样子:

$tree -L 2 -F
.
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
├── package1/
│   ├── Cargo.toml
│   └── src/
├── package2/
│   ├── Cargo.toml
│   └── src/
├── package3/
│   ├── Cargo.toml
│   └── src/
└── target/
    ├── CACHEDIR.TAG
    └── debug/

我们看到该项目下的所有package共享一个共同的 Cargo.lock 文件,该文件位于工作空间的根目录下。并且,所有包共享一个共同的输出目录,默认情况下是工作空间根目录下的一个名为target的目录,该target目录下的布局如下:

$tree -F -L 2 ./target
./target
├── CACHEDIR.TAG
└── debug/
    ├── build/
    ├── deps/
    ├── examples/
    ├── incremental/
    ├── libpackage2.d
    ├── libpackage2.rlib
    ├── libpackage3.d
    ├── libpackage3.rlib
    ├── package1*
    └── package1.d

我们在这下面可以找到所有package的编译输出结果,比如package1、libpackage2.rlib以及libpackage3.rlib。

当然,你也可以指定一个package来构建或运行:

$cargo build -p package1
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
$cargo build -p package2
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
$cargo run -p package1
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
     Running `target/debug/package1`
Hello, world!

4.3.2.2 带有外部依赖和内部依赖的多package项目

我们复制一份my-workspace,改名为my-workspace-with-deps,修改一下package1/src/main.rs,为其增加外部依赖rand crate:

// organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace-with-deps/package1/src/main.rs
extern crate rand;

use rand::Rng;

fn main() {
    let mut rng = rand::thread_rng();
    let num: u32 = rng.gen();
    println!("Random number: {}", num);
}

接下来,我们需要修改一下package1/Cargo.toml,手工加上对rand crate的依赖配置:

// organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace-with-deps/package1/Cargo.toml
[package]
name = "package1"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]
rand = "0.8.5"

保存后,我们执行package1的构建:

$cargo build -p package1
  Downloaded getrandom v0.2.14 (registry `rsproxy`)
  Downloaded libc v0.2.154 (registry `rsproxy`)
  Downloaded 2 crates (780.6 KB) in 1m 07s
   Compiling libc v0.2.154
   Compiling cfg-if v1.0.0
   Compiling ppv-lite86 v0.2.17
   Compiling getrandom v0.2.14
   Compiling rand_core v0.6.4
   Compiling rand_chacha v0.3.1
   Compiling rand v0.8.5
   Compiling package1 v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace-with-deps/package1)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1m 46s

我们看到:cargo会自动下载package1的直接外部依赖以及相关间接依赖。构建成功后,可以执行一下package1的编译结果:

$cargo run -p package1
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.09s
     Running `target/debug/package1`
Random number: 3840180495

接下来,我们再为package1添加内部依赖,比如依赖package2的编译结果:

// organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace-with-deps/package1/src/main.rs

extern crate package2;
extern crate rand;

use rand::Rng;

fn main() {
    let mut rng = rand::thread_rng();
    let num: u32 = rng.gen();
    println!("Random number: {}", num);
    let result = package2::add(2, 2);
    println!("result: {}", result);
}

// organizing-rust-code/cargo/multi-packages/my-workspace-with-deps/package1/Cargo.toml
[package]
name = "package1"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]
rand = "0.8.5"
package2 = { path = "../package2" }

我们看到:package1的main.rs依赖package2这个crate中的add函数,我们在package1的Cargo.toml中为package1添加了新依赖package2,由于package2仅仅存放在本地,所以这里我们使用了path方式指定package2的位置。

我们执行一下添加内部依赖后的package1:

$cargo run -p package1
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.02s
     Running `target/debug/package1`
Random number: 2485645524
result: 4

4.4 小结

本文循序渐进地讨论了在Rust项目中如何组织代码的问题,这对于Rust初学者来说尤为有用。

我们首先回顾了Go语言中的代码组织方式,介绍了Go项目代码组织的两个层级:module和package。然后,我们将Rust项目可以分为两种类型:使用rustc编译器的项目和使用Cargo的项目。

对于rustc-only的项目,开发者需要编写自己的构建脚本来管理项目的构建过程。

文章从最简单的单文件rustc-only项目开始介绍,展示了如何使用rustc编译器来编译和运行这种项目,并逐步介绍了带有外部依赖的rustc-only项目以及多文件项目的情况,引出了rust module概念。

rustc-only项目很少用于生产环境,这种方式主要用于学习和了解Rustc编译器的功能机制以及Rust语言的代码组织抽象。

在实际开发中,使用Cargo来创建和管理Rust包是常见的做法。在本章的后半段,我们介绍了使用cargo管理的rust项目的代码组织情况,包括单package项目和多package项目以及如何为项目引入外部和内部依赖。

总体而言,本文旨在帮助初学者理解和掌握Rust项目的代码组织结构,以提高学习效率和学习效果。通过介绍rustc-only项目和cargo管理的项目,读者可以逐步了解Rust代码组织的基本概念和实践方法。

本文涉及的源码可以在这里下载。

4.5 参考资料


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Go 1.23新特性前瞻

本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/05/30/go-1-23-foresight

2024年5月22日,Go 1.23版本功能特性正式冻结,后续将只改bug,不增加新feature。

对Go团队来说,这意味着开始了Go 1.23rc1的冲刺,对我们普通Gopher而言,这意味着是时候对Go 1.23新增的功能做一些前瞻了

在Go没有发布Go 1.23rc1之前,我们至少可以通过以下两种渠道体验Go 1.23的最新特性:

  • 通过go install安装tip版本;
  • 使用Go playground在线体验。

注:关于Go tip的安装方法以及Go playground在线体验的详细说明,这里就不赘述了,《Go语言第一课》专栏的“03|配好环境:选择一种最适合你的Go安装方法”有系统全面的讲解,欢迎订阅阅读。

按照Go Release cycle,Go 1.23将于2024年8月发布!因此目前为时尚早,下面列出的有些变化最终不一定能进入到Go 1.23的最终版本中,有小概率被revert的可能或者推迟到下一个版本(Go 1.24),所以切记一切变更点要以最终Go 1.23版本发布时为准。

1. 语言变化

Go 1.23语言变化较少,除了range over func试验特性转正,再有就是几个悬而未决的spec变更。

1.1 range over func试验特性转正(61405)

Go 1.22版本引入了range over func试验特性,通过GOEXPERIMENT=rangefunc,可以实现函数迭代器。这一特性在Go 1.23版本正式转正,下面代码可以直接使用Go 1.23编译运行:

// go1.23-foresight/lang/range-over-function-iterator/main.go

package main

import "fmt"

func Backward[E any](s []E) func(func(int, E) bool) {
    return func(yield func(int, E) bool) {
        for i := len(s) - 1; i >= 0; i-- {
            if !yield(i, s[i]) {
                return
            }
        }
        return
    }
}

func main() {
    sl := []string{"hello", "world", "golang"}
    for i, s := range Backward(sl) {
        fmt.Printf("%d : %s\n", i, s)
    }
}

使用Go 1.23运行上述示例:

$go run main.go
2 : golang
1 : world
0 : hello

range over func可以提供一种统一、高效的迭代方式, 为泛型后的自定义容器类提供统一的迭代接口,同时也可以替代部分现有API返回切片的做法, 改为通过迭代器的形式改进性能(通过编译器的优化),甚至还可以为函数式编程风格提供标准迭代机制。

rang over func机制的实现是通过编译器在源码层面的转换,其转换形式大致如下:

// 单循环变量
for x := range f1 {
    ...
}

将被转换为:

f1(func(x T) bool {
    ...
})

而另外一种常见的双循环变量形式的for range:

for expr1, expr2 = range f2 {
    ...
}

将被转换为:

f2(func(#p1 T1, #p2 T2) bool {
    expr1, expr2 = #p1, #p2
    ...
})

前提是:f1和f2分别要满足标准库中iter包中的下面函数原型形式:

// $GOROOT/src/iter/iter.go
type Seq[V any] func(yield func(V) bool) bool
type Seq2[K, V any] func(yield func(K, V) bool) bool

此外,for range循环体中如果有break,将被转换为f1/f2中的return false,而如果有continue,则会被转换为return true。当然这只是大致的形式,实际的转换远比这个要复杂很多,要考虑的情况也是十分复杂。更为具体、复杂的转换可以参考Go编译器的实现源码rewrite.go

函数迭代器虽然转正,但肯定尚未成熟,后续还会有诸多问题(比如一些corner case)需要解决,比如Russ Cox新开的issue 65236就在讨论是否允许忽略迭代变量;issue 65237将跟踪spec中与range over func相关内容的变更。

1.2 spec:几个悬而未决的issue

这个issue来自我提出的《Go 1.22引入的包级变量初始化次序问题》,Go 1.23已经修正了该问题,并保持与Go 1.22之前的版本一致,但go spec中尚未就此给出明确的说明。

一些issue已经“跳票”多次,不能确定以上issue都能最终在Go 1.23得以解决!

2. 编译器与运行时

2.1 优化了PGO(Profile Guided Optimization)带来的处理开销 (issue 58102)

Go社区发现启用PGO后,每个cmd/compile调用都会解析完整的PGO pprof配置文件,构建完整的权重图,然后确定与该包相关的内容。这类工作项有很多,并且随着Profile文件的大小和构建包的数量的扩展,构建开销也会增大。尤其是对于那些特别大的项目,PGO Profile很大,这可能会导致构建时间增加100%以上。

Go 1.23对这个问题进行了优化,PGO开销被降到了个位数百分比。

2.2 限制将来对linkname的使用(67401)

在Go语言中,//go:linkname指令可以用来链接到标准库或其他包中的未导出符号。比如我们想访问runtime包中的一个未导出函数,例如runtime.nanotime。这个函数返回当前时间的纳秒数。我们可以通过//go:linkname指令链接到这个符号。下面我用一个示例来演示一下这点:

// go1.23-foresight/compiler/golinkname/main.go
package main

import (
    "fmt"
    _ "unsafe" // 必须导入 unsafe 包以使用 //go:linkname
)

// 声明符号链接
//
//go:linkname nanotime runtime.nanotime
func nanotime() int64

func main() {
    // 调用未导出的 runtime.nanotime 函数
    fmt.Println("Current time in nanoseconds:", nanotime())
}

运行该示例:

$go run main.go
Current time in nanoseconds: 374424337532051

这种做法一般不推荐,因为它可能导致程序不稳定,并且未来版本的Go可能会改变内部实现(比如nanotime被改名或被删除),破坏你的代码。

Go团队已经意识到这一点,并发现现存开源代码中有很多代码都通过//go:linkname依赖Go项目的internal下的包或Go标准库的未导出符号。这显然不是Go团队想看到的事儿,于是Russ Cox发起issue 67401,旨在考虑限制对//go:linkname的使用。

该issue虽然在Go 1.23 milestone中,但最终是否能落在Go 1.23中还不确定,毕竟这样的调整会导致一些现存代码无法正常编译运行。

2.3 其他一些优化

  • 优化内存分配器的行为,减少了大内存(带有指针)分配时的长暂停 (issue 31222)
  • 修复Windows下time.Sleep的精度问题(issue 44343)
  • 增加了设置崩溃输出的API runtime/debug.SetCrashOutput(issue 42888)
  • 对内联器继续进行大修:重构优化 (issue 61502),这是一个长期任务,估计后续版本还会继续。

3. 工具链

3.1 新增go telemetry子命令,改进go工具链的遥测能力 (issue 67111)

Russ Cox去年初就在个人博客上发布了四篇有关Go Telemetry的文章,在2023 GopherCon大会上,Russ Cox也谈到了Go Telemetry对基于数据驱动进行Go演进决策的重要性。Russ Cox亲自创建的“all: add opt-in transparent telemetry to Go toolchain”提案也被Go项目接受。

Go工具链中的telemetry是数据驱动的重要一环,最初golang.org/x/telemetry实验项目被建立。在Go 1.23中,go工具链新增了go telemetry子命令,该子命令就是基于golang.org/x/telemetry实验项目,这也是Go团队实现某一个特性的一贯套路。

go telemetry子命令用法大致如下(以最终版本的doc为准):

go telemetry - 打印telemetry mode: on, off or local;
go telemetry on - 设置mode为on;即开启telemetry且上传遥测数据。
go telemetry local - 设置mode为local;即telemetry数据仅存储在本地,但不上传。
go telemetry off - 设置mode为off。即关闭telemetry
go clean -telemetry - 清理本地的遥测数据目录。

3.2 其他一些改变

  • go build(-json)支持以json形式输出构建结果(issue 62067),让构建结果更结构化
  • 移除了对GOROOT_FINAL的支持 (issue 62047),估计很多人不知道或完全没用过GOROOT_FINAL,我也是如此。

4. 标准库

4.1 Timer/Ticker变化

timer/ticker的stop/reset问题一直困扰Go团队,Go 1.23的两个重要fix期望能从根本上解决这个问题:

程序不再引用的Timer和Ticker将立即有资格进行垃圾回收,即使它们的Stop方法尚未被调用。Go的早期版本直到触发后才会收集未停止的Timer,并且从未收集未停止的Ticker。

  • Timer/Ticker的Stop/Reset后不再接收旧值(issue 37196)

与Timer或Ticker关联的计时器channel现在改为无缓冲的了,即容量为0 。此更改的主要效果是Go现在保证任何对Reset或Stop方法的调用,调用之前不会发送或接收任何陈旧值。 Go的早期版本使用带有缓冲区的channel,因此很难正确使用Reset和Stop。此更改的一个明显效果是计时器channel的len和cap现在返回0而不是1,这可能会影响轮询长度以确定是否在计时器channel上接收的程序。通过GODEBUG设置asynctimerchan=1可恢复异步通道行为。

4.2 新增unique包(issue 62483)

unique包的灵感来自于第三方包go4.org/intern,也是为了弥补Go语言缺乏对interning内置支持的空缺。

根据wikipedia的描述,interning是按需重复使用具有同等值对象的技术,减少创建新对象的动作。这种创建模式经常用于不同编程语言中的数和字符串,可以避免不必要的对象重复分配的开销。

Go unique包即是Go的interning机制的实现,unique包提供了一种高效的值去重和快速比较的机制,可以用于优化某些特定场景下的程序性能。

unique包提供给开发人员的API接口非常简单:Make用来创建Handle实例,Handle的方法Value用于获取值的拷贝。下面是一个使用unique包的典型示例:

// go1.23-foresight/lib/unique/main.go
package main

import (
    "fmt"
    "unique"
)

func main() {
    // 创建唯一Handle
    s1 := unique.Make("hello")
    s2 := unique.Make("world")
    s3 := unique.Make("hello")

    // s1和s3是相等的,因为它们是同一个字符串值
    fmt.Println(s1 == s3) // true
    fmt.Println(s1 == s2) // false

    // 从Handle获取原始值
    fmt.Println(s1.Value()) // hello
    fmt.Println(s2.Value()) // world
}

代码和输出结果都不难理解,这类就不赘述了。

4.3 函数迭代器相关

前面说过,函数迭代器转正了。标准库中有一些包立即就提供了一些便利的、可以与函数迭代器一起使用的函数,以slices、maps两个后加入Go标准库的泛型容器包为主。

其中slices包增加了:All、Values、Backward、Collect、AppendSeq、Sortted、SortedFunc、SortedStableFunc和Chunk。maps包增加了All、Keys、Values、Insert和Collect。

我们以slices包的All和Backward来构建一个示例,直观感受一下:

// go1.23-foresight/lib/slices/main.go

package main

import (
    "fmt"
    "slices"
)

func main() {
    sl := []string{"hello", "world", "golang"}

    for i, s := range slices.All(sl) {
        fmt.Printf("%d : %s\n", i, s)
    }

    for i, s := range slices.Backward(sl) {
        fmt.Printf("%d : %s\n", i, s)
    }
}

运行该示例:

$go run main.go
0 : hello
1 : world
2 : golang
2 : golang
1 : world
0 : hello

和以往一样,Go标准库是变化最多的一块儿,但篇幅有限,这里不便枚举,大家可以自行查看Go 1.23里程碑,选择自己关注的标准库变化,并深入研究。

5. 小结

本文主要预览了Go 1.23版本即将带来的新特性和变化。

首先在语言层面,range over func试验特性正式转正,提供统一高效的迭代方式;同时也会修复之前一些悬而未决的规范问题。

其次,在编译器和运行时方面,Go 1.23将优化PGO带来的开销,限制对linkname的使用,优化内存分配器和内联器等。工具链方面,新增telemetry子命令改进遥测能力。

标准库也有不少变化,比如Timer/Ticker的相关修复,新增unique包实现interning机制,以及为函数迭代器新增一些辅助函数。

Go 1.23的Release Notes的编写方式也做了调整,详细内容可参考我的公号文章《Go 1.23 Release Notes编写方式改进!》

总的来说,Go 1.23包含了语法、编译器、运行时、工具链和标准库等多方面的改进,其中最主要集中在编译器性能优化、PGO特性增强、新编译器功能实现以及标准库增强等方面。

不过由于Go 1.23尚未发布,文中部分变化还可能被修改或推迟到下个版本。最终还是以正式发布版为准。文末也列出了一些相关资源链接,方便读者深入了解。

截至发文时,Go 1.23 milestone已经完成59%(https://github.com/golang/go/milestone/212),还有188个open的issue待解决。究竟Go 1.23最终会做出哪些改变,让我们拭目以待!

最后,感谢Go团队以及所有Go 1.23贡献者做出的伟大工作!

文本涉及的源码可以在这里下载。

6. 参考资料


Gopher部落知识星球在2024年将继续致力于打造一个高品质的Go语言学习和交流平台。我们将继续提供优质的Go技术文章首发和阅读体验。同时,我们也会加强代码质量和最佳实践的分享,包括如何编写简洁、可读、可测试的Go代码。此外,我们还会加强星友之间的交流和互动。欢迎大家踊跃提问,分享心得,讨论技术。我会在第一时间进行解答和交流。我衷心希望Gopher部落可以成为大家学习、进步、交流的港湾。让我相聚在Gopher部落,享受coding的快乐! 欢迎大家踊跃加入!

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