今天，我們來看看 Rust 在系統程式設計中的應用，在開發作業系統核心模組和設備驅動程式方面，Rust 的安全性和效能特性使其成為系統層級程式設計的理想選擇，可以看到LINUX, Windows都在增加使用Rust替代原有程式。

1. Rust 與作業系統核心開發

Rust 的零成本抽象和記憶體安全特性使其非常適合開發作業系統核心。

範例：簡單的核心模組

#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    loop {}
}

#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

這個簡單的範例示範了 Rust 在裸機（bare-metal）環境中的基本結構。#![no_std] 屬性表示不使用標準函式庫，而 #![no_main] 表示不使用一般的 main 函式。

2. 記憶體管理與分配器

在核心開發中，記憶體管理是關鍵。Rust 允許我們實現自訂的分配器（Allocator）：

use core::alloc::{GlobalAlloc, Layout};

struct MyAllocator;

unsafe impl GlobalAlloc for MyAllocator {
    unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {
        // 實作記憶體分配邏輯
    }

    unsafe fn dealloc(&self, ptr: *mut u8, layout: Layout) {
        // 實作記憶體解除分配邏輯
    }
}

#[global_allocator]
static ALLOCATOR: MyAllocator = MyAllocator;

3. 中斷處理

處理硬體中斷是作業系統核心的重要部分。以下是一個簡化的中斷處理程式範例：

use core::arch::asm;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn interrupt_handler() {
    // 處理中斷邏輯
}

pub fn enable_interrupts() {
    unsafe {
        asm!("sti");
    }
}

pub fn disable_interrupts() {
    unsafe {
        asm!("cli");
    }
}

4. 設備驅動程式開發

Rust 的安全性特性使其非常適合開發設備驅動程式。以下是一個簡單的 PCI 設備驅動程式框架：

struct PCIDevice {
    vendor_id: u16,
    device_id: u16,
}

impl PCIDevice {
    fn new(vendor_id: u16, device_id: u16) -> Self {
        PCIDevice { vendor_id, device_id }
    }

    fn init(&self) {
        // 初始化設備
        println!("初始化 PCI 設備：{:04x}:{:04x}", self.vendor_id, self.device_id);
    }

    fn read_config(&self, offset: u8) -> u32 {
        // 讀取 PCI 配置空間
        0 // 簡化的返回值
    }

    fn write_config(&self, offset: u8, value: u32) {
        // 寫入 PCI 配置空間
    }
}

fn main() {
    let device = PCIDevice::new(0x8086, 0x100e); // Intel 網路卡範例
    device.init();
}

5. 同步原語

在核心開發中，適當的同步機制至關重要。Rust 提供了多種同步原語，如 Mutex 和 Spinlock：

use spin::Mutex;

static GLOBAL_DATA: Mutex<u32> = Mutex::new(0);

fn update_data() {
    let mut data = GLOBAL_DATA.lock();
    *data += 1;
}

6. 檔案系統實作

實作一個基本的檔案系統是核心開發的重要部分。以下是一個簡化的檔案系統結構：

struct FileSystem {
    root: Directory,
}

struct Directory {
    name: String,
    files: Vec<File>,
    subdirectories: Vec<Directory>,
}

struct File {
    name: String,
    content: Vec<u8>,
}

impl FileSystem {
    fn new() -> Self {
        FileSystem {
            root: Directory {
                name: String::from("/"),
                files: Vec::new(),
                subdirectories: Vec::new(),
            }
        }
    }

    fn add_file(&mut self, path: &str, content: Vec<u8>) {
        // 實作添加檔案的邏輯
    }

    fn read_file(&self, path: &str) -> Option<&Vec<u8>> {
        // 實作讀取檔案的邏輯
        None
    }
}

結論

Rust 在系統程式設計領域展現了強大的潛力，尤其在開發作業系統核心、設備驅動程式以及嵌入式系統中廣泛應用。它的內存安全保證（不需要垃圾回收）和零成本抽象，使得開發者能撰寫高效且可靠的低層級程式碼。此外，Rust 的所有權系統和編譯時檢查機制有效減少了常見的程式錯誤，例如空指針引用和資料競爭。

除了在作業系統領域的應用，Rust 也被用於許多現代工具的開發。例如，編譯器如 Vite 使用 Rust 來加速其編譯速度；WebAssembly（Wasm）的開發也廣泛採用 Rust，因為它能夠生成高效的二進位碼；甚至像 Dropbox 和 Cloudflare 這樣的公司也使用 Rust 來優化系統性能，提升服務的可靠性。