C++發(fā)布革命性提案：“借鑒”Rust精華，內(nèi)存安全即將成為標(biāo)配？

C語言與CPP編程

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編譯 | 核子可樂、Tina    轉(zhuǎn)自 | InfoQ
                想要內(nèi)存安全？那就給你們內(nèi)存安全！我們也有自己的借用檢查器。        在被“內(nèi)存安全”議題反復(fù)折磨了兩年之后，C++ 社區(qū)已經(jīng)發(fā)布一項(xiàng)提案，旨在幫助開發(fā)人員減少代碼中的安全漏洞。
這項(xiàng) Safe C++ Extension 安全擴(kuò)展提案希望解決這種編程語言中的致命弱點(diǎn)，保證其就此告別內(nèi)存安全漏洞。
C++ 聯(lián)盟總裁兼執(zhí)行董事 Vinnie Falco 上周四表示，“這是一項(xiàng)革命性的提案，將為 C++ 編程語言帶來內(nèi)存安全功能。這次合作也標(biāo)志著 C++ 生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要里程碑，相信大家也感受到行業(yè)對(duì)于安全代碼的需求從未如此迫切�！�


                1 內(nèi)存安全的需求確實(shí)從未如此迫切        在過去兩年之間，各類私營(yíng)和公共部門組織一直在敦促和推動(dòng)程序員們使用內(nèi)存安全語言（例如 C#、Go、Java、Python 以及 Swift）編寫新應(yīng)用程序，同時(shí)重寫舊有應(yīng)用程序。其中最典型的選項(xiàng)當(dāng)數(shù) Rust，一款性能良好的低級(jí)系統(tǒng)語言。
軟件工程師 Alex Gaynor 早在 2019 年就提出了這個(gè)問題，他表示大型代碼庫中的大多數(shù)嚴(yán)重漏洞都來自內(nèi)存安全缺陷，例如緩沖區(qū)溢出與釋放后使用。他強(qiáng)調(diào)稱，“數(shù)據(jù)已經(jīng)一再證明，當(dāng)項(xiàng)目使用內(nèi)存不安全語言（例如 C 和 C++）時(shí)，就會(huì)受到大量由此產(chǎn)生的安全漏洞的困擾�！�
在此之后，內(nèi)存安全迅速成為學(xué)術(shù)論文和技術(shù)會(huì)議中常見的討論主題。2022 年 9 月，微軟 Azure 首席技術(shù)官 Mark Russinovich 也下場(chǎng)靜態(tài)，呼吁開發(fā)人員棄用 C 和 C++，轉(zhuǎn)投 Rust 的懷抱。
幾個(gè)月后，美國(guó)國(guó)安局也采取了類似的立場(chǎng)。到 2023 年，內(nèi)存安全已然成為主流話題，Consumer Reports 消費(fèi)者報(bào)告也對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。
面對(duì) Rust 的浩大攻勢(shì)，C++ 陣營(yíng)這邊則警惕地組織起防守陣形。兩年之前，在回應(yīng) Russinovich 對(duì)于棄用 C/C++ 的呼吁時(shí)，C++ 語言的締造者 Bjarne Stroustrup 就在采訪中坦言，“我們現(xiàn)在可以在 ISO C++ 中實(shí)現(xiàn)完美的類型與內(nèi)存安全保障。”
然而這個(gè)說法遭到了一些質(zhì)疑。互聯(lián)網(wǎng)安全研究小組（ISRG）的聯(lián)合創(chuàng)始人兼執(zhí)行董事 Josh Aas 就負(fù)責(zé)監(jiān)督一項(xiàng)名為 Prossimo 的內(nèi)存安全計(jì)劃，他去年曾在采訪中證實(shí)，盡管理論上確實(shí)可以編寫內(nèi)存安全的 C++ 代碼，但其在現(xiàn)實(shí)中其實(shí)無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?C++ 并沒有在立項(xiàng)之初就考慮到內(nèi)存安全設(shè)計(jì)。
安全 C++ 擴(kuò)展提案就是為了解決這些批評(píng)而生，同時(shí)也響應(yīng)了美國(guó)國(guó)安局、其他五眼國(guó)家情報(bào)機(jī)構(gòu)、美國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全與基礎(chǔ)設(shè)施安全局（CISA）白宮以及國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）對(duì)于各公共部門提出的內(nèi)存安全要求。
今年 8 月，Gaynor 重新討論了內(nèi)存安全問題，并指出雖然嘗試讓 C++ 更安全確有現(xiàn)實(shí)意義，但他仍對(duì)這種意義的具體程度表示懷疑�！拔业膽B(tài)度很明確，C++ 的安全性可以得到實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。更具體地講，完全解決內(nèi)存安全問題似乎也不是不可能。但相信大家也跟我一樣有著同樣的共識(shí)，那就是對(duì)于讓 C++ 在安全性方面比肩 Swift、Go 或者 Rust 這個(gè)問題上，恐怕并不存在一個(gè)簡(jiǎn)單易行的解決方案�！�
盡管如此，安全 C++ 擴(kuò)展提案仍想要一試身手。C++ 聯(lián)盟開發(fā)人員 Sean Gaxter（Circle 編譯器的創(chuàng)造者）與 Christian Mazakas 承認(rèn)，目前行業(yè)對(duì)于采用內(nèi)存安全編程語言的呼聲可謂震耳欲聾。在他們看來，雖然 Rust 只是一種流行的系統(tǒng)級(jí)編程語言、沒有垃圾收集功能、可以提供嚴(yán)格的內(nèi)存安全保障，但將 C++ 代碼遷移至 Rust 還是會(huì)帶來很多問題。
                2 將大量 Rust 內(nèi)容復(fù)制到了 C++ 中？       

https://safecpp.org/draft.html
他們?cè)谔岚钢薪忉尩溃�“Rust 缺少函數(shù)重載、模板、繼承和異常機(jī)制，C++ 則缺少特征、重新定位與借用檢查。這些差異也導(dǎo)致這兩種語言在對(duì)接時(shí)產(chǎn)生種種不匹配狀況。大多數(shù)用于跨語言綁定的代碼生成器，根本就無法用某一種語言的特性來表達(dá)另一種語言的特性�！�
盡管 DARPA 正在嘗試開發(fā)出更好的 C++ 到 Rust 自動(dòng)化轉(zhuǎn)換工具，但 Baxter 和 Mazakas 認(rèn)為，強(qiáng)迫資深 C++ 程序員們學(xué)習(xí) Rust 并不是理想的答案——不久之前，一位專注于 C 語言的 Linux 內(nèi)核維護(hù)者甚至因此辭去了工作。
他們爭(zhēng)辯道，“Rust 對(duì)于職業(yè) C++ 開發(fā)者來說差異性過大，再加上互操作工具不夠便利，就導(dǎo)致通過用 Rust 重寫關(guān)鍵部分以強(qiáng)化 C++ 應(yīng)用程序變得極其困難。所以，為什么沒有針對(duì)內(nèi)存安全的語言解決方案？為什么就沒有安全版的 C++？”
Baxter 還在采訪中提到，盡管過去幾十年來，無數(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)家一直在關(guān)注如何對(duì)程序的正確性做出證明，但現(xiàn)如今這個(gè)問題已經(jīng)上升到了核心國(guó)家安全的高度。
Baxter 解釋稱，“近期政府對(duì)于內(nèi)存安全問題的警告，促使整個(gè)科技行業(yè)都在關(guān)注這個(gè)問題。我研究了這一理論，并從中發(fā)現(xiàn)了新機(jī)會(huì)：設(shè)計(jì)新工具，幫助 C++ 工程師們編寫出質(zhì)量更高的程序，同時(shí)消除與安全漏洞相關(guān)的各類軟件缺陷。”
Baxter 還指出，安全 C++ 項(xiàng)目引入了保障內(nèi)存安全的新技術(shù)，而不僅僅是對(duì)原有最佳實(shí)踐的重申�！鞍踩� C++ 能夠防止用戶編寫出不健全的代碼，同時(shí)輔以編譯時(shí)智能，例如通過借用檢查來防止使用后釋放錯(cuò)誤、初始化分析以確保類型安全等�！�
Baxter 表示，用不同編程語言重寫項(xiàng)目的成本很高，所以安全 C++ 的目標(biāo)是以更低的成本實(shí)現(xiàn)與 Rust 相同的健全性保證，進(jìn)而降低內(nèi)存安全的準(zhǔn)入門檻。他解釋道，“有了安全 C++，現(xiàn)有代碼能夠像以往一樣繼續(xù)正常運(yùn)行，而各利益相關(guān)方則可以更好地把控程序安全。”
至于下一步，還需要科技行業(yè)的更多參與，以幫助實(shí)現(xiàn)安全 C++ 提出的項(xiàng)目目標(biāo)。
他總結(jié)道，“基礎(chǔ)已經(jīng)打好：我們有了出色的借用檢查和初始化分析機(jī)制，這也是健全性保障的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。下一步是全面對(duì)接 C++ 的所有功能特性，并為其指定內(nèi)存安全版本。這是一項(xiàng)艱巨的工作，但考慮到減少 C++ 安全漏洞的重大意義，這份付出絕對(duì)物有所值�！�
社區(qū)對(duì)此提案褒貶不一。
有人提到，“這個(gè)話題如此重要，令人難以置信的是它還沒有進(jìn)入主流新聞”。他還表示，經(jīng)過幾十年不安全和脆弱代碼的困擾，終于有了一個(gè)官方且實(shí)用的“智能感知”機(jī)制來確保代碼的正確性，不過遲到總比不到好。
另一位二十多年的資深 C++ 開發(fā) James20k 認(rèn)為，“在 C++ 內(nèi)存安全的所有提案中，這個(gè)提案感覺是迄今為止最明智的。”
他認(rèn)為該提案最大的優(yōu)點(diǎn)是基于實(shí)際的，且它是完全可選的，對(duì)現(xiàn)有的 C++ 不會(huì)發(fā)生任何變化。而且已被證明是可實(shí)現(xiàn)的，不像其他替代方案。Carbon、cpp2、clang-lifetimes、profiles 等要么內(nèi)存不安全，要么無法完全實(shí)現(xiàn)，要么就是沒有用。另外，它提供了一個(gè)完全內(nèi)存安全的 C++ 版本，并且沒有損失表達(dá)能力。
但他指出這個(gè)提案的一個(gè)缺點(diǎn)就是“明確地基于 Rust”，“你已經(jīng)能看到這引發(fā)的強(qiáng)烈爭(zhēng)論了。遺憾的是，委員會(huì)對(duì)此類事情也并非免疫�！�
很明顯，社區(qū)中一部分技術(shù)人員對(duì)借鑒 Rust 中的內(nèi)容有些異議。

我希望他們不要加入借用檢查器，也不要把 C++ 變成某種奇怪的 Rust 混合體。我真的比 Rust 更喜歡 C++。我喜歡 C++ 帶來的自由，我認(rèn)為這也是它的主要賣點(diǎn)之一。


我原本以為會(huì)看到一個(gè)關(guān)于 C++ 安全性的方案，但這個(gè)規(guī)范中大量借鑒了 Rust 的內(nèi)容，應(yīng)用在 C++ 上。正因?yàn)橛羞@樣的預(yù)期差異，閱讀過程中有時(shí)覺得像是在看一場(chǎng)惡搞。就像，作者是不是在開玩笑，把 Rust 的內(nèi)容用 C++ 語法呈現(xiàn)，稱之為“安全 C++”？
不過，看起來這確實(shí)是一個(gè)經(jīng)過深思熟慮的提案，作者投入了大量精力。對(duì)作者們來說，干得不錯(cuò)！現(xiàn)在談?wù)勎业膶?shí)際想法：我個(gè)人認(rèn)為，這個(gè)提案對(duì)語言的改變太大了，甚至比 C++11 的變動(dòng)還要大。我真的很想問，這是唯一的方式嗎？或許這是目前唯一經(jīng)過驗(yàn)證的方式。也許隨著更多人關(guān)注這個(gè)提案，有人可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)規(guī)范，如果這樣的改進(jìn)是可能的話。

我并不反對(duì)在 C++ 中加入安全性改進(jìn)的想法。但這個(gè)提案給我的感覺像是“試圖讓 C++ 變得像 Rust”。Rust 確實(shí)有一些很好的特性，但我們的目標(biāo)應(yīng)該是以 C++ 自己的方式進(jìn)行改進(jìn)，而不是試圖成為另一種語言。
                3 Linus Torvalds 出言定性：Rust 帶來了新的“信仰之爭(zhēng)”        有開發(fā)者認(rèn)為，C++ 要么朝這個(gè)方向發(fā)展，要么輸給 Rust 并消亡。
這種觀點(diǎn)反映了編程語言之間的競(jìng)爭(zhēng)往往被過度情緒化，也是一種引戰(zhàn)的言論。C++ 和 Rust 都是工具，沒有誰需要“勝利”，但每次在 C++ 社區(qū)中提到 Rust，都會(huì)引發(fā)一場(chǎng)老式的口水戰(zhàn)。這種 C++ 和 Rust 之間的“文化戰(zhàn)”往往讓人想起 C 和 Rust 之間的爭(zhēng)論。
在 Linux 締造者 Linus Torvalds 看來，如今Rust 帶來的爭(zhēng)議，“幾乎上升到了帶有宗教戰(zhàn)爭(zhēng)色彩的信仰之爭(zhēng)層面”。

在 9 月 16 日最新開源峰會(huì)的主題演講當(dāng)中，Torvalds 評(píng)論了 Linux 社區(qū)中 C 與 Rust 之爭(zhēng)。最近，微軟軟件工程師、Rust for Linux 維護(hù)者之一 Wedson Almeida 在給 Linux 內(nèi)核郵件列表 (LKML) 的一封信中表示自己已經(jīng)退出了該項(xiàng)目。在 Linux 內(nèi)核圈子里，一些開發(fā)人員和維護(hù)人員不想與 Rust 有任何關(guān)系，他們毫不避諱地表達(dá)了他們認(rèn)為該編程語言已經(jīng)失敗的觀點(diǎn)。
對(duì)此，即使是不介意爭(zhēng)論的 Torvalds 也承認(rèn)，“有些爭(zhēng)論很激烈�！�
Torvalds 強(qiáng)調(diào)，“我其實(shí)并不反感爭(zhēng)論，畢竟真理越辯越明。我認(rèn)為 Rust 的一大優(yōu)點(diǎn)，在于它能讓某些討論煥發(fā)生機(jī)，但也會(huì)讓不少爭(zhēng)論變得非常激烈……這至少表明很多人正深切關(guān)心這門語言�？闪硪环矫�，我也不太理解為什么 Rust 總會(huì)成為激起爭(zhēng)議的核心。這讓我想起年輕那會(huì)，人們關(guān)于 vi 和 emacs 的大戰(zhàn)。不過出于某種原因，感覺 Rust 和 C 的討論幾乎上升到了帶有宗教戰(zhàn)爭(zhēng)色彩的信仰之爭(zhēng)層面�！�
這場(chǎng)爭(zhēng)議可以追溯到三年之前，當(dāng)時(shí)就有人提出“Rust 可以成為內(nèi)核項(xiàng)目的一部分甚至取代 C 語言”的觀點(diǎn)。此時(shí)一切還都很正常，可后續(xù)情況卻很快走向了失控的邊緣。例如，使用 C 語言可能在 CPU 上產(chǎn)生著名的緩沖區(qū)溢出漏洞，但目前這類情況已經(jīng)很少出現(xiàn)。雖然 Rust 能夠提供某些安全功能，但也有自己的弊端，畢竟與相對(duì)容易掌握的 C 語言相比，其學(xué)習(xí)曲線明顯更加陡峭。
正如 Torvalds 在演講中的解釋，C 是一種相對(duì)“容易掌握的語言”，這也是“我喜歡 C 的原因之一，更是很多 C 語言程序員喜歡它的原因之一——但同時(shí)也必須承認(rèn)，正是因?yàn)樗�很�?jiǎn)單，所以很容易在使用時(shí)犯錯(cuò)誤。而 Rust 則完全不同。有很多人已經(jīng)習(xí)慣了 C 的思考模式，所以不一定能接受這種差異，但這其實(shí)沒什么。”
不過必須承認(rèn)，C 和 Rust 兩派的分歧很大。Torvalds 進(jìn)一步指出，“有些人就是不喜歡 Rust 提出的概念，也不喜歡 Rust 侵占自己的領(lǐng)域……不少人甚至斷言 Rust 的融合之路是失敗的。我之前就對(duì)此表達(dá)過反對(duì)——我們已經(jīng)在這方面探索了幾年，所以目前下結(jié)論還為時(shí)過早。但我也認(rèn)為，哪怕是失敗了（雖然我并不支持這種失敗論），這也是學(xué)習(xí)經(jīng)歷的一部分。所以我覺得推廣 Rust 是有積極意義的，可爭(zhēng)論過程中的很多人似乎并不這么看�！�
Torvalds 表示，挑戰(zhàn)在于內(nèi)存安全架構(gòu)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施做出了某些假設(shè)。
“基礎(chǔ)設(shè)施人員可能會(huì)對(duì)此感到害怕，但這已經(jīng)是個(gè)公開的秘密了。換言之，基礎(chǔ)設(shè)施人員似乎在抵制這些變化。公平地講，我們對(duì) C 基礎(chǔ)設(shè)施也做了不少改變。內(nèi)核編碼其實(shí)在很大程度上也超出了常規(guī)的 C 語言范疇，我們不僅會(huì)以某種方式編寫代碼，同時(shí)也在 C 語言這邊部署了很多用于執(zhí)行語言之外基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)則的工具方案。這就是我們對(duì)于安全性的探索和保障。我們?cè)?C 語言這邊其實(shí)建設(shè)了大量?jī)?nèi)存安全基礎(chǔ)設(shè)施，從技術(shù)上講它們并不屬于 C 的組成部分——而更多是我們內(nèi)核基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分。我們擁有調(diào)試版本，能夠讓內(nèi)核運(yùn)行得更慢，同時(shí)對(duì)更多內(nèi)存安全要素進(jìn)行測(cè)試。”
很明顯，Rust 和 C 語言各擅勝場(chǎng)。Rust 支持者們拿出了大量有力的論據(jù)（只要能夠編譯通過，代碼質(zhì)量就有保障；而且泛用性更好等），而 C 語言派則認(rèn)為這位老將更容易學(xué)習(xí)，而且在過去數(shù)十年的開發(fā)應(yīng)用中積累下了巨大的生態(tài)財(cái)富，更適用于以內(nèi)核為中心的 eBPF 開發(fā)。
正如思科 Isovalent 首席開源官 Liz Rice 在采訪中所言，Rust 更新，具有“非常強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但并不是每個(gè)人都能立即適應(yīng)并掌握 Rust 的開發(fā)思路。不少在內(nèi)核中開發(fā) eBPF 子系統(tǒng)的人們，絕不可能突然轉(zhuǎn)過身來選擇 Rust 來完成日常工作。其實(shí)很多人都在討論這個(gè)問題，比如說「如果我們能用 Rust 處理所有開發(fā)任務(wù)，那 eBPF 驗(yàn)證器就可以直接刪掉了，根本不需要它�！沟�我認(rèn)為持這種說法的朋友，其實(shí)沒有完全理解 eBPF 驗(yàn)證器的全部作用。我們可以用 Rust 編寫 eBPF 代碼并將其編譯為 eBPF 字節(jié)碼，這才是想要編寫 eBPF 的 Rust 開發(fā)者所應(yīng)當(dāng)選擇的路線。”
與此同時(shí)，Polar Signals 公司 CEO 兼創(chuàng)始人 Frederic Branczyk 也在采訪中強(qiáng)調(diào)，“Rust 中亦有不少實(shí)例證明，開發(fā)者必須先做一些非安全實(shí)踐，之后在此基礎(chǔ)上建立起安全的抽象。所以我絕不認(rèn)為 Rust 會(huì)成為搞定一切的萬靈藥。順帶一提，我本身是 Rust 的忠實(shí)粉絲，可雖然 Rust 也能完成很多工作，但我還是認(rèn)為 C 才是操作系統(tǒng)編寫方面的理想語言。”
延伸閱讀：
C++ 之父 Bjarne Stroustrup：我會(huì)為全球數(shù)十億行 C++ 代碼帶來一個(gè)嶄新的解決方案
參考鏈接：
https://cppalliance.org/vinnie/2024/09/12/Safe-Cpp-Partnership.html
https://safecpp.org/P3390R0.html
https://www.youtube.com/watch?v=OM_8UOPFpqE&t=510s
https://www.theregister.com/2024/09/16/safe_c_plusplus/?td=rt-3a
https://www.youtube.com/watch?v=OM_8UOPFpqE&t=510s
https://thenewstack.io/linus-torvalds-c-vs-rust-debate-has-religious-undertones/
https://www.zdnet.com/article/linus-torvalds-muses-about-maintainer-gray-hairs-and-the-next-king-of-linux/
https://www.reddit.com/r/cpp/comments/1fiuhb7/the_empire_of_c_strikes_back_with_safe_c_proposal/
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