Day 21: Zenoh 無所不在：回顧 Zenoh 如何從 Rust 出發，實踐跨語言綁定 (Binding)

17th鐵人賽

circleowo

2025-09-25 21:43:31

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Zenoh 無所不在：回顧 Zenoh 如何從 Rust 出發，實踐跨語言綁定 (Binding)

今天我們來總結一下我們這幾天深入探討的各種綁定 (Binding)!

Zenoh 的核心是一個高效能的 pub/sub、storage 與 computation protocol。
它以 Rust 語言編寫，選擇 Rust 是因為它能保證記憶體安全（防止崩潰和安全漏洞）和無畏並行（fearless concurrency）。
這些特性對於一個可靠、高吞吐量的網路 protocol 至關重要。
然而不得不提到 Zenoh 能夠連接以主流語言編寫、在各種平台上運行的應用程式。
這是透過一個圍繞核心 Rust 實作的、複雜的 language bindings 生態系統來實現的。

1. 基礎：橋接 Rust 與 C/C++ (`zenoh-c` & `zenoh-cpp`)

建立與 C 的橋樑是 Zenoh 互操作性的基石。這同時也是最具挑戰性的部分，因为它要求將由編譯器強制執行的 Rust 嚴格所有權（ownership）和安全保證，映射到 C 的手動記憶體模型上。

zenoh-c 透過一個多層架構來應對此挑戰：

自動化程式碼生成：建置過程使用一種稱為「基於編譯的內省（compilation-based introspection）」的技巧，來生成與 C 相容的「不透明型別（opaque types）」。這確保 C 程式碼能為 Rust 型別分配正確大小的記憶體，而無需暴露其內部結構，從而保持 ABI 穩定性並隱藏 Rust 特有的佈局優化。
將 Rust 的所有權帶入 C：為了彌合差距，zenoh-c 引入了一套獨特的型別系統，這是對 Rust borrow checker 所強制執行模式的直接手動實作。資源被包裝在 z_owned_..._t（模擬 Rust 的 owned types）、z_loaned_..._t（模擬 Rust 的 borrows &T）和 z_moved_..._t（用於轉移所有權）型別中。這使得記憶體管理比典型的 C API 更加明確和安全。
安全機制：雖然不如 Rust 編譯器那樣萬無一失，zenoh-c 實作了「墓碑（gravestone）」模式，標記已 drop 的物件，以幫助在偵錯時檢測 use-after-free 錯誤。

zenoh-cpp 在此 C 基礎上建構，提供了一種更貼近 Rust 精神的現代 C++ 體驗：

RAII 作為 Rust Drop Trait 的鏡像：該函式庫提供僅需 header 的 C++ 包裝器，使用 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）自動管理 Zenoh 物件的生命週期。這是 Rust Drop trait 在 C++ 中的慣用對應實作，完全消除了手動呼叫清理函式的需要，並防止了資源洩漏。
零成本抽象（Zero-Cost Abstraction）：透過大量使用模板（templates）和內聯（inlining），C++ API 提供了現代化的功能，且沒有執行期開銷，忠實於 Rust 和 C++ 共享的零成本哲學。

2. 高階語言的威力：Python Bindings (`zenoh-python`)

zenoh-python 函式庫在成熟的 PyO3 框架之上，橋接了 Rust 的高效能與 Python 的易用性。

橋接 Async Rust 與 Sync Python：一個核心挑戰是 Zenoh Rust 核心是完全非同步且多執行緒的。為防止 Python 的單執行緒全域直譯器鎖（GIL）成為瓶頸，zenoh-python 會在呼叫阻塞的 Rust 函式前，智慧地釋放 GIL。這使得高效能的 Rust 調度器可以在其他執行緒上不受阻礙地運行其網路 I/O 任務。
慣用的 API 設計：此 binding 使用 macro 和基於 trait 的轉換系統（IntoRust/IntoPython），以 Pythonic 的方式暴露 Rust 的功能。例如，Rust 的 builder patterns 被映射為熟悉的 Python keyword arguments。

3. JVM 與 Android 整合：`zenoh-kotlin`

zenoh-kotlin 透過 Java Native Interface (JNI) 將 Zenoh 帶入 JVM 和 Android 生態系統。

安全地共享 Rust 記憶體：所有權透過 Arc<T>（Rust 原生的執行緒安全引用計數工具）在 JNI 邊界進行管理。Arc 作為原始指標（raw pointer）傳遞給 JVM。為了操作它，Rust 程式碼從指標重構 Arc，然後使用 std::mem::forget 來防止其被釋放，從而有效地將所有權「歸還」給 JVM。這將 Rust 的記憶體安全模型擴展到 JVM 的託管記憶體世界。
執行緒安全的回呼：當需要調用回呼時，Rust binding 會將當前執行緒附加到 JVM，確保所有對 Kotlin 程式碼的呼叫都是安全的，並尊重兩種環境的執行緒模型。

4. 延伸應用：嵌入式與網頁（`zenoh-pico` & `zenoh-ts`）

zenoh-pico：對於資源最受限的環境，zenoh-pico 提供了一個原生的 C 語言 protocol 實作（而非對 Rust 核心的 binding）。做出此選擇是因為，即使是最小的 Rust 執行檔，對於某些微控制器來說也可能過於龐大，以及目前Zenoh Rust本身尚未完全支援no_std。它保持了與 zenoh-c 的 API 相容性。
zenoh-ts：對於網頁開發者，zenoh-ts 允許 JavaScript/TypeScript 透過 WebSockets 與基於 Rust 的 Zenoh router 進行通訊，有效地將核心 Rust 引擎的觸角延伸到瀏覽器中。

API：跨語言比較

為了了解這些設計哲學如何轉化為開發者體驗，讓我們比較在不同 binding 中執行簡單「put」操作的方式。每個範例最終都會呼叫相同的底層 Rust 函式。

zenoh (Native Rust)

// Native Rust 使用 async/await 並透過 Drop trait 自動進行資源清理
async fn main() {
    let session = zenoh::open(zenoh::Config::default()).await.unwrap();
    let publisher = session.declare_publisher("demo/rust").await.unwrap();
    publisher.put("Hello!").await.unwrap();
    // Session 和 publisher 在離開作用域時會被自動關閉
}

這是baseline。此 API 簡潔、完全非同步，並利用了 Rust 最強大的特性：記憶體安全和確定性的資源管理（透過 Drop trait），因此不需要手動呼叫 close()。*

zenoh-c

// 手動資源管理是明確的，在 C 中模仿 Rust 的所有權
z_owned_config_t config = z_config_default();
z_owned_session_t s = z_open(z_move(config));
z_owned_publisher_t pub = z_declare_publisher(z_loan(s), z_keyexpr("demo/c"), NULL);
z_publisher_put(z_loan(pub), (const uint8_t *)"Hello!", 6, NULL);

// 需要手動清理，像是手動版本的 Rust Drop trait
z_drop(z_move(pub));
z_drop(z_move(s));

zenoh-cpp (C++)

// RAII，即 C++ 版本的 Rust Drop，會自動處理清理
try {
    auto session = Session::open(Config::create_default());
    auto publisher = session.declare_publisher("demo/cpp");
    publisher.put("Hello!");
} catch (const ZException& e) { /* ... */ }

zenoh-python

# 'with' 陳述式提供了確定性的清理，類似於 Rust 的 Drop
with zenoh.open(zenoh.Config()) as session:
    publisher = session.declare_publisher("demo/python")
    publisher.put("Hello!")

zenoh-kotlin

// 包裝了原生 Rust 物件的物件導向 API
val session = Zenoh.open(Config.default()).getOrThrow()
val publisher = session.declarePublisher("demo/kotlin").getOrThrow()
publisher.put("Hello!").getOrThrow()
session.close() // 清理工作與 JVM 的 AutoCloseable 掛鉤

zenoh-ts (TypeScript/JavaScript)

// 與 Rust router 通訊的現代 async/await API
const session = await Session.open(new Config("ws/127.0.0.1:10000"));
const publisher = await session.declarePublisher("demo/ts");
await publisher.put("Hello!");
await session.close();