Rust no-std 工程實踐

改寫 std 的庫為支持 no_std 的庫及寫出一個支持 std 和 no_std 庫的經驗談 github repo: https://github.com/DaviRain-Su/rust-no-std-source

簡介#

首先介紹 std 和 no_std 的區別，然後介紹使用 no_std 庫的方式，由於支持 no_std 的特性有兩種不同的方式，因此使用 no_std 庫也有兩種方式。其次，驗證一個庫是否支持 no_std 特性的驗證方式，如何改寫一個 std 的庫為同時支持 std 和 no_std 的特性方法。具體的如何寫一個支持 std 和 no_std 的庫。一些在 std 和 no_std 下都可以使用的 primitive 的倉庫和相關的資源和文章。

目錄#

std 和 no_std 的區別
Rust 中使用 no_std 的兩種方式
驗證一個庫是否支持 no_std 特性的驗證方式
具體的寫一個支持 std 和 no_std 的庫
一些 no_std 和 std 可以使用 primitive 類型的倉庫和相關資源的文章

std 和 no_std 的區別#

核心庫#

Rust 語言的語法由核心庫和標準庫共同提供。其中 Rust 核心庫是標準庫的基礎。核心庫中定義的是 Rust 語言的核心，不依賴於操作系統和網絡等相關的庫，甚至不知道堆分配，也不提供並發和 I/O

可以通過在模塊頂部引入 #![no_std] 來使用核心庫。核心庫和標準庫的功能有一些重複，包括如下部分：

基礎的 trait，如 Copy、Debug、Display、Option 等。
基本原始類型，如 bool、char、i8/u8、i16/u16、i32/u32、i64/u64、isize/usize、f32/f64、str、array、slice、tuple、pointer 等。
常用功能型數據類型，滿足常見的功能性需求，如 String、Vec、HashMap、Rc、Arc、Box 等。
常用的宏定義，如 println！、assert！、panic！、vec！等。做嵌入式應用開發的時候，核心庫是必需的。

標準庫#

Rust 標準庫提供應用程序開發所需要的基礎和跨平台支持。標準庫包含的內容大概如下：

與核心庫一樣的基本 trait、原始數據類型、功能型數據類型和常用宏等，以及與核心庫幾乎完全一致的 API。
並發、I/O 和運行時。例如線程模塊、用於消息傳遞的通道類型、Sync trait 等並發模塊，文件、TCP、UDP、管道、套接字等常見 I/O。
平台抽象。os 模塊提供了許多與操作環境交互的基本功能，包括程序參數、環境變量和目錄導航；路徑模塊封裝了處理文件路徑的平台特定規則。
底層操作接口，比如 std：：mem、std：：ptr、std：：intrinsics 等，操作內存、指針、調用編譯器固有函數。
可選和錯誤處理類型 Option 和 Result，以及各種迭代器等。

還有一些解釋，#![no_std] 是一個 crate level 級別的屬性，表示 core crate 將鏈接到 core crate 而不是 std crate。

下面是 std crate 和 core crate 的解釋，其實這裡也就解釋了標準庫與和核心庫之間的區別。當然也內在的包括了 std 與 no_std 之間的區別。

首先是，std crate 是 Rust 的標準庫。它包含的功能假定程序將在操作系統上運行，而不是直接在裸系統上運行。std 還假定操作系統是一個通用的操作系統，就像人們在服務器和桌面上看到的那樣。出於這個原因，std 為通常在這類操作系統中發現的功能提供了一個標準的 API: 线程、文件、套接字、文件系統、進程等等。

然後是，core crate 是 std crate 的一個子集，對程序運行的系統不做任何假設。因此它提供了基於語言的 API，如浮點，字符串和切片，以及暴露處理器特性的 API，如原子操作和 SIMD 指令。然而，它缺乏涉及堆內存分配和 I/O 的任何 API。

對於一個應用程序來說，std 所做的不僅僅是提供一種訪問操作系統抽象的方式，std 還負責涉及堆棧溢出保護，處理命令行參數，以及在程序的主函數被調用之前生成主線程。一個#![no_std]應用程序缺乏所有這些標準的運行時，所以它必須初始化自己的運行時，如果需要的話。

由於這些特性，#![no_std]應用程序可以是第一個或者唯一在系統上運行的代碼。

Rust 中 no_std 的一些使用方法#

主要具體介紹第二種方式的使用 no_std

具體如何使用，參見寫一個 no_std 的庫的第二種使用方式。

也可參考，實例:serde no-std 的使用規範

驗證一個庫是否支持 no_std 的驗證方式#

cargo check --target wasm32-unknown-unknown

但是 wasm 環境不一定就是 no_std，或者別的編譯目標也可以，也就是裸露的編譯目標環境不帶有任何系統的環境。

參考文檔: 使用 Rust 編寫操作系統（一）：獨立式可執行程序

具體的寫一個 no_std 的庫#

創建一個 no_std 庫的第一種方式（使用#![no_std])

使用#![no_std]的話，默認的就是這個庫是在 no_std 環境下的，然而又因為 no_std 下的庫一般來說都是核心庫，而核心庫又是標準庫的子集，所以聲明 #![no_std] 寫出來的庫，也可以在 std（標準庫環境）下使用。

創建 no_std 庫的第二種方式（使用 #![cfg_attr (not (features = "std"), no_std)] )#

使一些不能在 no_std 環境下運行的倉庫也能在 no_std 下支持

首先，要驗證這個庫能不能支持 no_std 的環境（見，驗證一個庫是否支持 no_std 的驗證方式）。

找出這個庫依賴的庫支持 no_std 的方式，如果使用的是#![no_std] 那麼這個庫本身就是可以在 std 和 no_std 下同時的運行。

如果使用的是#![cfg_attr(not(features = "std"), no_std)], 就需要打開default-features = false, 進行配置。

最後可能需要做一些標準庫的替換，使其能在 no_std 和 std 同時編譯成功，一些可以使用的類型庫有 sp-std (這個庫僅僅封裝了一部分的類型，例如有些類型是沒有的，string,File, IO) 當然，IO,File，這些標準庫在核心庫當中是沒有的。還有 rust 本身的 alloc, core 這些都是屬於核心庫的。也是在 no_std 環境下支持的。

具體的使用案例:

相關的 Pr, 使 ics23 支持 no_std

有些代碼也在 no_std 寫測試很難。因為這裡做了編譯選擇處理

一些 no_std 和 std 可以使用的 primitive 類型的倉庫#

引用及資源#

結論#

參照 serder 的使用以及一些論壇的討論，推薦使用#![cfg_attr(not(feature = "std"), no_std ))]來同時支持 std 和 no_std.