Python要被学术圈抛弃了？科学家们可能找到了更好的替代品

一些科学家开始使用比 Python 性能更强大的新编程语言了，它和 Python 一样能够“立等可取”，而且计算能力还更强。

本文转载自公众号“Nature Portfolio”

原文作者：Jeffrey M. Perkel

2015 年，生物信息学家 Johannes Köster 还是（用他自己的话说）“差不多全职写 Python 的”。他当时已经用 Python 写过一个备受欢迎的工具——流程管理工具 Snakemake。现在，他正在准备写的项目所要求的计算能力超过了 Python 能提供的范围。所以他开始搜索新的工具。

现在德国杜伊斯堡-埃森大学任职的 Köster 正在寻找一种计算机语言，可以具备 Python 的“立等可取”性，同时拥有 C 和 C++ 这类语言的速度。换言之，“一个高性能的语言，而且还，这么说吧，符合人类工程学。”他解释道。他找到的语言就是 Rust。

象征兼具速度和安全的程序员的漫画。绘画：Project Twins

Rust 是 2006 年由 Graydon Hoare 在加利福尼亚州浏览器公司 Mozilla 工作的时候作为小项目开发的。Rust 混合了 C++ 这类语言的性能、友好的语法、对代码安全性的关注和一套精心设计的工具用以简化开发流程。Mozilla 的 Firefox 中有一部分就是用 Rust 写的。据报道微软也使用 Rust 重写了 Windows 操作系统中的一部分。每年一度的 Stack Overflow 开发者调查已经连续五年将 Rust 列为“最受喜爱的”编程语言。代码共享网站 GitHub 说，Rust 是该平台 2019 年增长第二快的语言，比去年增长了 235%。

科学家们同样看向了 Rust。例如，Köster 用它写了一个叫做 Varlociraptor 的应用。该应用能将数百万的基因序列与几十亿种基因碱基比对，以找出基因突变。“数据量极大，”他说，“所以比对必须尽可能地快。”但是，Rust 的强大是有代价的：学习曲线很陡。

“上手之前是得花些时间。”宾夕法尼亚州咨询公司 Integer 32 的创办者，也是 Rust 核心团队成员的 Carol Nichols 说。“但是它让我能够做一些此前无法做到的事。我认为这些时间花得值。”

警告：没有护栏

分析科学数据的工作流程通常会使用 Python、R 和 Matlab 这样的语言。这类语言会逐行解释代码并执行。该模式在探索数据的时候很有用，但是速度不会快。

C 和 C++ 很快，但是没有“安全护栏”。斯德哥尔摩的 Rust 程序员（他们管自己叫Rustacean），Ashley Hauck 说。例如，没什么能阻止 C 和 C++ 的程序员访问已经释放回系统的内存，或是把同一块内存释放两次。最好的情况下，这样做会让程序崩溃，但也有可能返回无意义的数据或是产生安全漏洞。根据微软的研究，他们公司每年修补的安全漏洞中有70%都和内存安全有关。

内存规则

Rust 的模型所使用的规则将每一片内存都分配给了一个单一的所有者，并限制了谁能访问它。违反规则的代码根本不会有机会崩溃——它根本就无法编译。“他们的内存管理系统是基于这个生命周期概念的，允许编译器可以在编译的时候追踪内存何时分配，何时释放，由谁持有，谁能访问，” Rob Patro 说。他是马里兰大学的一位计算生物学家。“有一整类正确性问题都可以通过语言的设计方法避免。”

这套理念还会帮助保证并行计算——使用多个处理器同时进行计算的软件——可以安全执行。例如，可以避免多个线程同时访问同一份数据的可能性。

结果是，这种语言更易于维护和调试，但是学习起来就更难了。“其他任何一种主流语言都没有这些概念，而它们是理解Rust编程方式的核心。”Nichols 说。在都柏林圣三一大学研究地理数据可视化的 Stephan Hügel 估计，他花费了两三个月把一个将地理空间坐标转化进另一个参照系的 Python 算法改写成了 Rust，执行速度快了 4 倍。加利福尼亚州的一个化学信息学软件公司 Metamolecular 的创办者 Richard Apodaca 说他为熟练使用 Rust 花了六个月。

聚焦易用性

为了弥补这一问题，Rust 的开发者花功夫改进了用户体验，在加利福尼亚州的 Rust 开发者工具团队的主管 Manish Goregaokar 说。例如，编译器会返回特别有信息量的错误信息，甚至会将出错的代码高亮出来，并建议如何修正。“如果你的语言想要引入新的概念，那最好用起来方便一些。” Goregaokar 解释道。

Rust 社区还提供了详尽的文档和在线帮助，其中包括一本大受欢迎的在线详解“Book”和一份介绍如何解决常见问题的“Cookbook”。Rust 工具链——程序员用来将代码转化成程序的工具——很受用户好评（见下文“大家一起氧化吧”）。“Rust 的工具和架构真的很棒。”Patro 说。相较于 C 程序员需要面对的很多种编译器和辅助应用，Rust 程序员只需要一个叫做 Cargo 的工具就可以编译 Rust 代码、运行测试、自动生成文档、将代码上传到代码库中，等等。它还会自动下载并安装第三方软件包。Cargo 的一个插件 Clippy 可以标亮常见错误和“不怎么规范”的 Rust 代码，Patro 评价这一特性是“绝对棒”。

大家一起氧化吧

下面以创建一个读取GenBank文件的程序的步骤为例，探索Rust语言的一些功能。

· 访问www.rust-lang.org/learn/get-started安装Rust

· 从GitHub上复制代码https://github.com/jperkel/gb_read

· 在命令行中执行“cargo run”以下载外部依赖，并编译程序。程序的默认设置是读取GitHub代码库中的GenBank文件“nc_005816.gb”，但是你可以通过“cargo run <文件名>”选择读取其他文件。

· 使用“cargo test”运行代码库里面的测试。

· 使用“cargo doc --open”创建并阅读文档。

流行的开发环境中也有 Rust 的插件，例如微软的 Visual Studio Code 和 JetBrains 的 IntelliJ。还有一个在线的 Rust Playground，允许实时在线实验 Rust 代码。住在悉尼的 David Lattimore 在 Jupyter 计算笔记本里面创建了一个 Rust 的内核，以及一个类似于 Python 的交互式环境REPL。

Rust 程序员的另外一大助力是它的第三方软件包（Rust管它叫“crate”）生态系统，目前已经有了 5 万多个（见下文“Rust越来越火”）。软件包封装了例如生物信息学（Kösterd的Rust-Bio）、地理科学（Geo-Rust项目）、数学（nalgebra）等学科的算法。不过，Nichols 说，“要是你想要的库没有 Rust 版本，那就是 Rust 的大劣势了。”当然，程序员有时候还是可以使用 Rust 的“外部函数接口”来搭一座桥。

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