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Software Development

30 天深入淺出 Rust系列 第 32

番外 2: 不使用標準函式庫行不行?

Rust 的基本函式庫其實包的東西算很少了,不過還是挺大的,因為 Rust 的標準函式庫並沒有預裝在各個電腦上,所以 Rust 都是直接把必要的部份也直接包含進執行檔裡 (靜態連結 static link),如果我們看一下基本的 Hello world 有多大的話:

File  .text     Size     Crate Name
4.6%  62.7% 179.2KiB           [819 Others]
0.2%   3.3%   9.5KiB [Unknown] stats_arena_print
0.2%   3.0%   8.6KiB       std std::sys_common::backtrace::output
0.2%   2.9%   8.4KiB [Unknown] read_line_info
0.2%   2.7%   7.7KiB       std je_stats_print
0.2%   2.7%   7.7KiB       std mallocx
0.2%   2.4%   6.9KiB       std je_arena_boot
0.2%   2.3%   6.5KiB [Unknown] elf_add
0.2%   2.2%   6.4KiB       std backtrace_dwarf_add
0.2%   2.1%   6.1KiB       std je_malloc_vsnprintf
0.1%   1.5%   4.2KiB       std je_arena_palloc
0.1%   1.4%   4.0KiB [Unknown] read_attribute
0.1%   1.4%   3.9KiB       std realloc
0.1%   1.3%   3.8KiB [Unknown] malloc_init_hard_a0_locked
0.1%   1.3%   3.8KiB       std std::sys_common::backtrace::print
0.1%   1.3%   3.8KiB [Unknown] elf_zlib_inflate_and_verify
0.1%   1.1%   3.1KiB       std calloc
0.1%   1.1%   3.1KiB       std malloc
0.1%   1.1%   3.0KiB       std rallocx
0.1%   1.1%   3.0KiB       std je_arena_ralloc_no_move
0.1%   1.0%   2.9KiB       std je_arena_ralloc
7.3% 100.0% 285.6KiB           .text section size, the file size is 3.8MiB

這是 cargo-bloat 輸出的結果,可以自己安裝來嘗試看看,另外若使用 strip 指令去除掉執行檔的除錯資訊,執行檔的大小會下降到 424 KB ,只是這樣 cargo-bloat 就沒辦法印出每個函式佔的大小了。

程式碼的區塊的大小在最後一行,單程式碼的部份就佔了 285.6 KB ,整個執行檔的大小有 3.8 MB ,很大嗎?如果我們用 C 寫一個 Hello world ,執行檔才 8.3 KB 而已,程式碼的部份只有 418 Byte ,程式碼的部份差了約 700 倍啊。

這樣比較也不完全正確,因為 C 的標準函式庫都有安裝在系統中,並不像 Rust 是編譯進執行檔中, C 的標準函式庫大小是 2 MB ,但實際上用到的也並沒有全部,若使用靜態連結的話, C 編譯出來的檔案程式的區塊佔了約 573 KB 喔

在上面的輸出可以看到比如像 backtraceje_* 等等的東西, backtrace 是 Rust 在程式發生 panic 時可以印出程式呼叫的流程,而 je 開頭的則是 Rust 預設使用的記憶體分配函式庫,叫 jemalloc ,就像 C 裡使用的 malloc 一樣, jemalloc 速度較快,同時它盡可能避免在多執行緒時使用鎖定,不過它還挺大的。

如果我們不要用 jemalloc 會怎麼樣呢, Rust 在 1.28 版新增了 global_allocator 這個 API 讓我們可以換掉預設使用的記憶體分配器:

// 系統預設的記憶分配器,簡單來說就是 malloc
use std::alloc::System;

// 設定全域的記憶體分配器,這只能設定一次,如果設定兩次以上會出錯
#[global_allocator]
static GLOBAL: System = System;

設定完後的結果:

File  .text     Size     Crate Name
2.2%  50.4%  62.7KiB           [434 Others]
0.3%   6.9%   8.6KiB       std std::sys_common::backtrace::output
0.3%   6.8%   8.4KiB [Unknown] read_line_info
0.2%   5.2%   6.5KiB [Unknown] elf_add
0.2%   5.1%   6.4KiB       std backtrace_dwarf_add
0.1%   3.2%   4.0KiB [Unknown] read_attribute
0.1%   3.0%   3.8KiB [Unknown] elf_zlib_inflate_and_verify
0.1%   3.0%   3.7KiB       std std::sys_common::backtrace::print
0.1%   1.8%   2.2KiB       std core::str::pattern::StrSearcher::new
0.1%   1.8%   2.2KiB [Unknown] read_function_entry
0.1%   1.6%   1.9KiB       std backtrace_qsort
0.1%   1.3%   1.6KiB [Unknown] add_function_ranges
0.1%   1.3%   1.6KiB [Unknown] dwarf_lookup_pc
0.1%   1.3%   1.6KiB [Unknown] add_unit_ranges
0.1%   1.2%   1.5KiB [Unknown] find_address_ranges
0.0%   1.1%   1.4KiB       std core::fmt::Formatter::pad
0.0%   1.0%   1.3KiB       std std::sys_common::backtrace::output_fileline
0.0%   1.0%   1.3KiB       std std::sys::unix::backtrace::printing::resolve_symname
0.0%   1.0%   1.2KiB       std core::fmt::Formatter::pad_integral
0.0%   1.0%   1.2KiB       std <str as core::fmt::Debug>::fmt
0.0%   1.0%   1.2KiB       std std::sys::unix::backtrace::printing::dladdr::resolve_symname
4.4% 100.0% 124.4KiB           .text section size, the file size is 2.8MiB

少了一半以上啊。

PR #55238 官方正在從 jemalloc 換回系統預設的 malloc 喔,如果你用 nightly 版的 8b096314a 2018-11-02 ,那應該已經包含這個 PR 了,只是我實驗後似乎還是把 jemalloc 編進去了

#![no_std]

終於進入這篇的重點了,如果我們不使用標準函式庫會怎麼樣呢?聽起來很不可思議,但其實是可以的, Rust 其實還提供了一個只有最基本的功能的函式庫,叫 core ,基本到什麼程度呢?只有最基礎的型態,所有與記憶體分配或是與系統相關的東西都沒有,比如輸入輸出。

這個函式庫主要用在一些特殊的環境,比如嵌入式系統這種系統架構可能不同的時候,這時候使用者可以自己提供操作系統的 API 綁定,只使用這個最基本的函式庫來寫 Rust 的程式。

那如果我們只使用 core 來寫 Hello world 會變怎麼樣呢?但因為 core 沒有輸入輸出,若我們要在螢幕上顯示東西就必須找其它辦法,其實很簡單,直接呼叫 C 的標準函式庫的東西就好了:

// 不要使用標準函式庫
#![no_std]
// 不要用 Rust 預設的 main
#![no_main]

// 提供 C 標準函式庫綁定的 crate
extern crate libc;

// 這邊就變的跟 C 的 main 一樣了
#[no_mangle]
pub extern "C" fn main() -> i32 {
    unsafe {
        libc::puts("Hello world\0".as_ptr() as _);
    }
    0
}

加入 libc 的相依性時要調一下設定,讓它不要使用到原本的 std :

libc = { version = "0.2.43", default-features = false }

為什麼不要用預設的 main 呢?有興趣可以看一下這段 程式碼 , Rust 預設會設定在 panic 發生時印出訊息等等的機制,只是這些我們現在沒辦法提供,就直接用跟 C 一樣的 main 當程式的進入點吧。

若編譯上面那個程式你會看到以下兩個錯誤:

error: `#[panic_handler]` function required, but not found

error: language item required, but not found: `eh_personality`

我們的程式缺少了兩個函式,這兩個函式是在發生特殊情況時由編譯器產生的程式碼去呼叫的,第一個是 panic 發生時呼叫的,用來印出訊息用的,第二個則是提供 panic 發生的 unwind 機制,讓程式能從 panic 的狀態回復而繼續執行下去,先處理第二個,在 Cargo.toml 加上這些設定:

[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

這讓編譯出來的程式在 panic 時直接結束,而不要嘗試 unwind ,這樣就不需要 eh_personality 了,第一個要處理也很簡單,提供一個就行了:

use core::panic::PanicInfo;

#[panic_handler]
fn panic(_: &PanicInfo) -> ! {
    unsafe {
        libc::abort();
    }
}

在 panic 發生時直接呼叫 abort 結束程式,到這邊我們的程式應該能編譯執行了,來看看編譯後的大小:

File  .text Size     Crate Name
0.0%   0.0%   0B           [0 Others]
0.7%  45.1% 101B [Unknown] __libc_csu_init
0.4%  23.7%  53B [Unknown] main
0.3%  19.2%  43B [Unknown] _start
0.2%  11.2%  25B       std core::str::<impl str>::as_ptr
0.0%   0.9%   2B [Unknown] __libc_csu_fini
1.6% 100.0% 224B           .text section size, the file size is 13.5KiB

程式碼區塊只剩下 224 Byte ,如果用 release 模式的話:

File  .text Size     Crate Name
0.0%   0.0%   0B           [0 Others]
1.2%  61.6% 101B [Unknown] __libc_csu_init
0.5%  26.2%  43B [Unknown] _start
0.2%  11.0%  18B [Unknown] main
0.0%   1.2%   2B [Unknown] __libc_csu_fini
2.0% 100.0% 164B           .text section size, the file size is 7.9KiB

只剩下 164 Byte 了。

目前 no_std 最常被使用到的地方應該是 crate 了,在 crates.io 上還有個 專門的分類 ,這些 crate 提供使用者在特殊的環境下也能使用的功能,通常也都是完全不牽涉到作業系統相關的東西的。

另外 Rust 的標準函式庫還有個叫 alloc ,目前還不穩定,它提供的是與記憶體分配相關的,比如像智慧指標 Box ,或是 Rust 中的 Vec 等等。

不過除非你是想在特殊的環境下使用 Rust ,或是你做了個跟作業系統完全無關的 crate ,不然還是用 std 來的方便,不需要為了想幫 Rust 的程式瘦身就不用 std 。


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1 則留言

1
cwchiu
iT邦新手 4 級 ‧ 2018-11-23 10:43:41

終於看完一遍了

真是很棒的 Rust 教學, 大推啊~~~~

DanSnow iT邦新手 1 級 ‧ 2018-11-23 16:58:28 檢舉

謝謝,你能喜歡我很高興,也感謝你幫忙抓錯

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