我用Rust改写了自己的C项目这两个语言都很折磨人！

　　作者Strager
　　译者马可薇
　　策划褚杏娟
　　C漫长的构建时间可谓臭名昭著，编程圈的我的代码在编译只是个段子，但C让这个段子长盛不衰。
　　谷歌Chromium规模的项目在新硬件上的构建时间长达一小时，而在老硬件上的构建时间更是达到了六个小时。虽然也有海量的调整方案能加速构建速度，还有不少削减构建内容但极易出错的捷径供人选择，再加上数千美元的云计算能力，Chromium的构建时间仍是接近十分钟。这点我完全无法接受，人们每天都是怎么干活的啊？
　　有人说Rust也是一样，构建时间同样令人头疼。但事实就是如此，还是这仅仅是一种反Rust的宣传手段？在构建时间方面Rust和C究竟谁能更胜一筹呢？
　　构建速度和运行时性能对我来说非常重要。构建测试的周期越短，我编程就越高效、越快乐。我会不遗余力地让我的软件速度更快，让我的客户也越快乐。因此，我决定亲自试试Rust的构建速度到底怎么样，计划如下：
　　找一个C项目把项目中的一部分单独拿出来逐行将C代码重写为Rust优化C和Rust项目的构建对比两个项目的构建测试时间
　　我的猜想如下（有理有据的猜测，但不是结论）：
　　Rust的代码行数比C少。C中多数函数和方法都需要声明两次：一次在header里，一次在实现文件里。但Rust不需要，因此代码行数会更少C的完整构建时间比Rust长（Rust更胜一筹）。在每个。cpp文件里，都需要重新编译一次C的include功能和模板，虽然都是并行运行，但并行不等于完美。Rust的增量构建时间比C长（C更胜一筹）。Rust一个crate（独立可编译单元）一编译，但C是按文件编译。因此代码每次变动，Rust要读取的比C多。
　　对此，大家怎么看呢？我在推特上的投票结果如下：
　　42的人认为C会赢，35同意看情况，另外17的则觉得Rust会让我们大吃一惊。
　　那么结果到底如何呢？下面让我们进入正题。
　　编写C和Rust的测试对象找个项目
　　考虑到我未来一个月都要花在重写代码上，什么样的代码最合适？我认为得满足以下几点：
　　很少或不用第三方依赖（标准库可以使用）；能在Linux和macOS上运行（我不怎么管Windows上的构建时间）；大量测试套组（不然我没法确定Rust代码的正确性）；FFI（外部函数接口）、指针、标准或自定义容器、功能类和函数、IO、并发、泛型、宏、SIMD（单指令多数据流）、继承等等，多少都有使用。
　　其实答案也很简单，直接找我前几年一直在做的项目就行。我用的是一个JavaScript词法分析器，quicklintjs项目。
　　quicklintjs的吉祥物Dusty
　　截取C代码
　　quicklintjs项目中C部分的代码行数超过10万，要把这些全改成Rust得花上我半年时间，不如只关注JavaScript词法分析部分，其中涉及项目中的：
　　诊断系统翻译系统（用于诊断）各种内存分配器和容器（如bump分配器、适用于SIMD的字符串）各种功能类函数（如UTF8解码器、SIMD内在包装器）测试的辅助代码（如自定义断言宏）C的API
　　可惜这部分代码里不涉及并发或IO，我测试不了Rust里asyncawait的编译时间开销，但这只是quicklintjs项目里的一小部分，所以我还不用太担心。
　　我首先把所有的C代码都复制到新项目里，然后删掉已知与词法分析无关的部分，比如分析器和LSP服务器。我甚至一不小心删多了代码，最后不得不重新把这些代码添了回去。在我不断截代码的过程中，C的测试一直保持了通过状态。
　　在彻底将quicklintjs项目中涉及词法分析的部分全截出来之后，项目中C的代码大约有1。7万行。
　　C代码行数
　　源码
　　9。3k
　　测试
　　7。3k
　　总计
　　16。6k
　　dep：GoogleTest
　　69。7k
　　重写代码
　　至于要怎么重写这上千行的C代码，我选择按部就班：
　　找一个适合转换的模块；复制黏贴代码、测试、搜索替换并修改部分语法、继续运行cargo（Rust的构建系统和包管理器）测试直到构建测测试都通过；如果这个模块依赖另一个模块，那就找到被依赖的模块，继续进行第二步，然后再回到现在这个模块；如果还有模块没转换，再回到第一步。
　　主要影响Rust和C构建时间的问题在于，C的诊断系统是通过大量代码生成、宏、constexpr（常量表达式）实现的，而我在重写Rust版时，则用了代码生成、proc宏、普通宏以及一点点const实现。传闻proc宏速度很慢，也有说是因为代码质量太差导致的proc宏速度慢。希望我写的proc宏还可以（祈祷～）。
　　我写完才发现，原来Rust项目比C项目还要大，Rust代码17。1k行，而C只有16。6k行。
　　C代码行数
　　Rust代码行数
　　行数差
　　源码
　　9。3k
　　9。5k
　　0。2k（1。6）
　　测试
　　7。3k
　　7。6k
　　0。3k（4。3）
　　总数
　　16。6k
　　17。1k
　　0。4k（2。7）
　　dep：GoogleTest
　　69。7k
　　dep：autocfg
　　0。6k
　　dep：lazystatic
　　0。4k
　　dep：libc
　　88。6k
　　dep：memoffset
　　0。6k
　　优化Rust构建
　　构建时间很重要，因为我在截取C代码之前就已经做好了C项目构建时间的优化，所以我现在只需要对Rust项目的构建时间做同样的优化即可。以下是我觉得可能会优化Rust构建时间的条目：
　　更快的链接器Cranelift后端编译器和链接器标志工作区与测试布局区分最小化依赖功能cargonextest使用PGO自定义工具链
　　更快的链接器
　　我第一步要做的是分析构建，我用的是Zselfprofilerustc标志。在这个标志所生成的两个文件里，其中一个文件中的runlinker阶段颇为突出：
　　条目
　　本身时间
　　全部时间占比
　　runlinker
　　129。20ms
　　60。326
　　LLVMmodulecodegenemitobj
　　23。58ms
　　11。009
　　LLVMpasses
　　13。63ms
　　6。365
　　第一轮Zselfprofile结果
　　之前我通过向Mold链接器的转换成功优化了C的构建时间，那这套对Rust能否行得通？
　　Linux：链接器性能几乎一致。（数据越小越好）
　　可惜，Linux上虽然确实有提升，但效果不明显。那macOS上的优化又表现如何？在macOS上默认链接器的替代品有两种，lld和zld，效果如下：
　　macOS：链接器性能几乎不变。（数据越小越好）
　　可以看出，macOS上替换默认链接器的效果同样不明显，我怀疑这可能是因为Linux和macOS上的默认链接器对我的小项目而言已经做到了最好，这些优化后的链接器（Mold、lld、zld）在大型项目上效果非常好。
　　Cranelift后端
　　让我们再回到Zselfprofile的另一篇报告上，LLVMmodulecodegenemitobj和LLVMpasses阶段颇为突出：
　　条目
　　自身时间
　　全部时间占比
　　LLVMmodulecodegenemitobj
　　171。83ms
　　24。274
　　typeck
　　57。50ms
　　8。123
　　evaltoallocationraw
　　54。56ms
　　7。708
　　LLVMpasses
　　50。03ms
　　7。068
　　codegenmodule
　　40。58ms
　　5。733
　　mirborrowck
　　36。94ms
　　5。218
　　Zselfprofile的第二轮结果
　　传闻可以把rustc的后端从LLVM换成Cranelift，于是我又用rustcCranelift后端重新构建了一遍，Zselfprofile结果看起来不错：
　　条目
　　自身时间
　　全部时间占比
　　definefunction
　　69。21ms
　　12。307
　　typeck
　　57。94ms
　　10。303
　　evaltoallocationraw
　　55。77ms
　　9。917
　　mirborrowck
　　33。44ms
　　6。657
　　使用Cranelife的Zselfprofile第二轮结果
　　可惜，在实际的构建中Cranelife比LLVM慢。
　　Rust后端：默认LLVM比Cranelift强。（测试于Linux，数据越小越好）
　　2023年1月7日更新：rustc的Cranelift后端维护者bjorn3帮我看了下为什么Cranelift在我的项目上效果不佳：可能是rustup的开销导致的。如果绕过这部分Cranelife效果可能会有提升，上图中的结果没有采用任何措施。
　　编译器和链接器标志
　　编译器里有一堆可以加快（或减缓）构建速度的选项，让我们一一试过：
　　Zsharegenericsy（rustc）（Nightlyonly）ClinkargsWl，s（rustc）debugfalse（Cargo）debugassertionsfalse（Cargo）incrementaltrue且incrementalfalse（Cargo）overflowchecksfalse（Cargo）panicabort（Cargo）lib。doctestfalse（Cargo）lib。testfalse（Cargo）
　　rustc标志：快速构建优于调试构建。（测试于Linux，数据越小越好）
　　注：图中的quick，Zsharegenericsy与quick，incrementaltrue且启用Zsharegenericsy标志相等同，其余柱状图没有标识Zsharegenericsy是因为没有启用该标志，后者意味着需要nightlyrust编译器。
　　上图中使用的多数选项都有文档可查，但我还没找到有人写过加s的链接。子命令s将包括Rust标准库静态链接在内的所有调试信息全部剥离，让链接器做更少的工作，从而减少链接时间。
　　工作区与测试布局
　　在文件的物理位置问题上，Rust和Cargo都提供了部分灵活性。对我的项目而言，以下是三种合理布局：
　　理论上来说，如果我们把代码拆成多个crate，cargo就可以并行化rustc的调用。鉴于我的Linux机器上有一个32线程的CPU，macOS机器上有一个10线程的CPU，并行化应该可以降低构建时间。
　　对一个crate而言，Rust项目中的测试有很多可运行的地方：
　　由于依赖周期的存在，我没办法做源码文件内的测试这个布局的基准，但其他布局组合里我都做了基准：
　　Rust完整构建：工作区布局最快。（测试于Linux，数据越小越好）
　　Rust增量构建：最佳布局不明。（测试于Linux，数据越小越好）
　　工作区设置中，无论是分成多个可执行测试（manytestexes），还是合并成一个可执行测试，似乎都能斩获头筹。所以后续我们还是按照工作区多个可执行文件的配置吧。最小化依赖功能
　　多个crate的拆分支持可选功能，而部分可选功能都是默认启用的，具体功能可以通过cargotree命令查看：
　　让我们把crate之一，libc中的std功能关掉，测试后再看看构建时间有没有变化。
　　Cargo。toml〔dependencies〕libc｛version0。2。138，defaultfeaturesfalse｝libc｛version0。2。138｝
　　关掉libc功能后没有任何变化。（测试于Linux，数据越小越好）
　　构建时间没有任何变化，有可能std功能实际没什么大影响。不管怎么说，让我们进入下一个环节。
　　cargonextest
　　作为一款据说比cargo测试快60的工具，cargonextest对于我这个代码中44都是测试的项目来说非常合适。让我们来对比下构建和测试时间：
　　Linux：cargonextest减慢了测试速度。（数据越小越好）
　　在我的Linux机器上，cargonextest帮了倒忙，虽然输出不错，不过
　　示例cargonextest测试输出：PASS〔0。002s〕cppvsrust：：testlocalenomatchPASS〔0。002s〕cppvsrust：：testoffsetoffieldshavedifferentoffsetsPASS〔0。002s〕cppvsrust：：testoffsetofmatchesmemoffsetforprimitivefieldsPASS〔0。002s〕cppvsrust：：testpaddedstringassliceexcludespaddingbytesPASS〔0。002s〕cppvsrust：：testoffsetofmatchesmemoffsetforreferencefieldsPASS〔0。004s〕cppvsrust：：testlinkedvectorpushseven
　　那macOS上怎么说？
　　macOS：cargonextest加快了构建测试。（数据越小越好）
　　在我的MacBookpro上，cargonextest确实提高了构建测试的速度。但为什么Linux上没有呢？难道是和硬件有关？
　　在下面测试中，我会在macOS上使用cargonextest，但Linux上的测试不用。
　　使用PGO自定义工具链
　　我发现C编译器的构建如果用配置文件引导的优化（PGO，也称作FDO），会有明显的性能提升。因此，让我们试试用PGO优化Rust工具链的同时，也用LLVMBOLT加上Ctargetcpunative进一步优化rustc。
　　Rust工具链：自定义工具链是最快的。（测试于Linux，数据越小越好）
　　如果你好奇的话，可以看看这段工具链构建脚本。可能不适用于你的机器，但只要我能运行就行：https：github。comquicklintcppvsrustblob953429a4d92923ec030301e5b00face1c13bb92btoolsbuildtoolchains。sh
　　与C编译器相比，通过rustup发布的Rust工具链似乎已经是优化完成的结果。PGO加上BOLT的组合只带来了不到10的性能提升。但有提升就是好的，所以在后续与C的竞争中我们会继续使用这个速度最快的工具链。
　　我第一次搭建的Rust自定义工具链比Nightly还要慢2，我在Rustconfig。toml的各种选项中反复调整，不断交叉检查Rust的CI构建脚本以及我自己的脚本，最终在好几天的挣扎后才让这二者性能持平。在我最终润色这篇文章时，我进行了rustup更新，拉取git项目，并重头又建了一遍工具链。结果这次我的自定义工具链速度更快了！有可能是我在Rust仓库里提交错了代码
　　优化C构建
　　在最初的C项目quicklintjs中，我已经用常见的手段优化了编译时间，比如用PCH、禁用异常和RTTI、调整编译标志、删除非必要include、将代码从头中移出、外置模板实例等方法。但此外还有一些C编译器和链接器我没试过，在我们进入C和Rust的对比之前，先从这些里面挑出最适合我们的。
　　Linux：自定义Clang是最快的工具链。（数据越小越好）
　　很明显，Linux上的GCC是个特例，而Clang的表现则要好上很多。我自定义构建的Clang（和Rust工具链一样，也是用PGO和BOLT构建的）相较于Ubuntu的Clang，显著优化了构建时间，而libstdc的构建略快于平均libc的速度。
　　那我的自定义Clang加上libstdc在C和Rust的对比中表现如何呢？
　　macOS：Xcode是最快的工具链。（数据越小越好）
　　在macOS上，搭配Xcode的Clang工具链似乎要比LLVM网站上的Clang工具链优化得更好。
　　C20模块
　　我的C代码用的是include，但如果用C20中新增加的import又会怎么样呢？C20的模块是不是理论上来说应该会让编译速度超级快？
　　我在项目了尝试过C20模块，但直到2023年的1月3日，Linux上的CMake模块支持过于实验性质了，我甚至连helloworld都没跑起来。
　　或许2023年中C20模块会大放异彩，对于我这种超级在意构建时间的人来说，真是这样就太好了。但目前为止，我还是继续用经典C的include和Rust做对比吧。
　　对比C和Rust的构建时间
　　通过把C项目改写成Rust，并尽可能地优化Rust的构建时间后，问题来了：C和Rust究竟谁更快呢？
　　很可惜，答案是看情况！
　　Linux：Rust部分情况下构建速度超越C。（数据越小越好）
　　在我的Linux机器上，部分情况下Rust的构建速度确实优于C，但也有速度持平或逊于C的情况。在增量lex的基准上，我们修改了大量源码，Clang比rustc速度快，但在其他增量基准上，rustc又会反超Clang。
　　macOS：C构建速度通常快于Rust。（数据越小越好）
　　但我的macOS机器上情况却截然不同。C的构建速度常常快上Rust许多。在增量测试utf8的基准，我们修改中等数量测试文件，rustc编译速度会略微超过Clang，但在包括全量构建等其他基准上，Clang很明显效果要更好。
　　超过17k行代码
　　我基准测试的项目只有17k行代码，算是小型项目，那么对超过10万行代码的大型项目来说，又是什么情况呢？
　　我把最大的模块，也就是词法分析器的代码复制粘贴了8、16以及24遍，分别用来测试。因为我的基准里也包括了运行测试的时间，我觉得构建时间即使是对于那些能瞬间构建完的项目，也应该会线性增长。
　　C代码行数
　　Rust代码行数
　　1x
　　16。6k
　　17。7k
　　8x
　　52。3k（215）
　　43。7k（156）
　　16x
　　93。1k（460）
　　74。0k（334）
　　24x
　　133。8k（705）
　　104。4k（512）
　　倍数扩大后C完整构建优于Rust。（测试于Linux，数据越小越好）
　　倍数扩大后C增量构建优于Rust。（测试于Linux，数据越小越好）
　　Rust和Clang确实都是线性扩大，这点很好。
　　正如预期中一样，修改C的头文件，也就是增量diagtype会大幅影响构建时间。而由于Mold链接器的存在，其他增量基准中构建时间的扩展系数很低。
　　Rust构建的扩展性让我很失望，即使只是增量utf8测试的基准，无关文件的加入也不应该让它的构建时间如此受影响。测试所用的crate布局时工作区且多个可执行测试，因此utf8测试应该能独立编译可执行文件。结论
　　编译时间对Rust而言算是问题吗？答案是肯定的。虽然也有一些可以加快编译速度的提示和技巧，但却没有效果非常显著的数量级改进，这让我在开发Rust时非常高兴。
　　Rust的编译时间和C相比呢？确实也很糟。至少对我的编码风格来说，Rust在大型项目上开发的编译时间甚至更加远比C还要糟糕。
　　再回过头看看我当初的假设，几乎全军覆没：
　　Rust改写版代码行数比C多；在全量构建上，C相比Rust在1。7万行代码上构建时间相似，在10万行代码上构建时间要少；在增量构建上，Rust相比C在部分情况构建时间要短，在1。7万行上构建时间要长，在10万行代码上构建时间甚至更长。
　　我不爽吗？确实。在改写过程中，我不断学习着Rust相关的知识，比如procmarco能替代三个不同代码生成器，简化构建流水线，让新开发者们日子更好过。但我完全不想念头文件，以及Rust的工具类真的很好用，特别是Cargo、rustup以及miri。
　　但我决定不把quicklintjs项目中剩下的代码也改成Rust，但如果Rust的构建时间能有明显优化，或许我会改变主意。当然，前提是我还没被Zig迷走心神。
　　附注源码
　　删减后的C项目源码、移植版Rust（包括不同的项目布局）、代码生成脚本和基准测试脚本、GPL3。0及以上。
　　Linux机器
　　名称：strapurp
　　CPU：AMDRyzen95950X（PBO；stockclocks）（32threads）（x8664）
　　RAM：G。SKILLF44000C1916GTZR2x16GiB（overclockedto3800MTs）
　　操作系统：LinuxMint21。1
　　内核：Linuxstrapurp5。15。056generic62UbuntuSMPTueNov2219：54：14UTC2022x8664x8664x8664GNULinux
　　Linux性能治理器：schedutil
　　CMake：版本3。19。1
　　Ninja：版本1。10。2
　　GCC：版本12。1。02ubuntu122。04
　　Clang（Ubuntu）：版本14。0。01ubuntu1
　　Clang（自定义）：版本15。0。6（Rustfork；代码提交3dfd4d93fa013e1c0578d3ceac5c8f4ebba4b6ec）
　　libstdcforClang：版本11。3。01ubuntu122。04
　　Rust稳定版：1。66。0（69f9c33d720221212）
　　RustNightly：版本1。68。0nightly（c7572670a20230103）
　　Rust（自定义）：版本1。68。0dev（c7572670a20230103）
　　Mold：版本0。9。3（ec3319b37f653dccfa4d1a859a5c687565ab722d）
　　binutils：版本2。38
　　macOS机器
　　名称：strammer
　　CPU：AppleM1Max（10threads）（AArch64）
　　RAM：Apple64GiB
　　操作系统：macOSMonterey12。6
　　CMake：版本3。19。1
　　Ninja：版本1。10。2
　　XcodeClang：Appleclang版本14。0。0（clang1400。0。29。202）（Xcode14。2）
　　Clang15：版本15。0。6（LLVM。orgwebsite）
　　Rust稳定版：1。66。0（69f9c33d720221212）
　　RustNightly：版本1。68。0nightly（c7572670a20230103）
　　Rust（自定义）：版本1。68。0dev（c7572670a20230103）
　　lld：版本15。0。6
　　zld：代码提交d50a975a5fe6576ba0fd2863897c6d016eaeac41
　　基准
　　用deps的构建和测试
　　C：cmakeSbuildB。GNinjaninjaCbuildquicklintjstestbuildtestquicklintjstest计时
　　Rust：cargofetch未计时，再用cargotest计时
　　不用deps的构建和测试
　　C：cmakeSbuildB。GNinjaninjaCbuildgmockgmockmaingtest未计时，再用ninjaCbuildquicklintjstestbuildtestquicklintjstest计时
　　Rust：cargobuildpackagelazystaticpackagelibcpackagememoffset未计时，再用cargotest计时
　　增量diagtypes
　　C：构建和测试未计时，随后修改diagnostictypes。h，再用ninjaCbuildquicklintjstestbuildtestquicklintjstest
　　Rust：构建和测试未计时，修改diagnostictypes。rs后，cargotest
　　增量lex
　　同增量diagtypes，但使用lex。cpplex。rs
　　增量utf8测试
　　同增量，但使用testutf8。cpptestutf8。rs
　　每个可执行基准均采用12个样本，弃置前两个，基准仅显示最后十个样本的平均性能。误差区间展示最小与最大样本间区别。
　　原文链接：
　　https：quicklintjs。comblogcppvsrustbuildtimes