シングルスレッドの C++ とマルチスレッドの Rust をインターフェースしました。

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シングルスレッド C++ とマルチスレッド Rust をインターフェースしました

シングルスレッドの C++ コードとマルチスレッドの Rust のインターフェイスは可能であるだけでなく、完全な書き換えを行わずにレガシー システムを最新化する最も実用的な方法の 1 つです。 Mewayz では、207 モジュールのビジネス OS を拡張して 138,000 人のユーザーにサービスを提供する際に、まさにこの課題に取り組みました。その結果、システムの相互運用性についての考え方が根本的に変わりました。

シングルスレッドの C++ をマルチスレッドの Rust とインターフェースするのはなぜですか?

ほとんどの実稼働システムには、何年にもわたって厳しいテストが行​​われた C++ コードが組み込まれています。 Rust ですべてを書き直すことは、机上では魅力的に聞こえますが、多大なリスクが発生し、エンジニアリングに数か月かかります。実用的なアプローチは段階的な導入です。つまり、既存の C++ ロジックをラップしながら同時実行性の高いワークロードを Rust の所有権モデルにオフロードします。

私たちの場合、コア ビジネス ロジック モジュールは何年もの間、シングルスレッド C++ で確実に実行されてきました。彼らは、逐次的なタスク処理、文書生成、および財務計算を処理しました。しかし、ユーザー ベースが 100,000 を超えて増加するにつれて、並列データ処理、同時 API 処理、安全な共有状態管理が必要になりました。 Rust の Send および Sync 特性により、C++ では広範な手動監査なしでは提供できなかったコンパイル時の同時実行性の保証が得られました。

重要な動機はリスクの軽減です。決して完了しない可能性のある移行にコードベース全体を賭けることなく、機能するものを維持し、拡張するものを追加できます。

FFI 境界は実際にどのように機能するのでしょうか?

C++ と Rust の間の外部関数インターフェイス (FFI) は、C 互換の関数シグネチャを通じて動作します。 Rust の extern "C" ブロックは、C++ が直接呼び出すことができる関数を公開しており、その逆も同様です。 Rust のマルチスレッド ランタイムがシングルスレッドの C++ コードを安全に呼び出す必要がある場合、重大な課題が生じます。

私たちは専用のアーキテクチャを使用してこれを解決しました。

スレッド限定の C++ エグゼキューター: すべての C++ 呼び出しは、メッセージ パッシング チャネルを使用して単一の専用スレッドを介して処理され、シングル スレッドの不変条件に決して違反しないようにします。

Rust の非同期ブリッジ層: Tokio タスクは作業を C++ エグゼキュータに送信し、ワンショット チャネルを通じて結果を待ち、Rust 側を完全に非同期に保ちます。

不透明なポインタ管理: C++ オブジェクトは、決定論的なクリーンアップのための Drop を実装する Rust 構造体でラップされ、言語境界を越えたメモリ リークを防ぎます。

境界でのシリアル化: 複雑なデータ構造は FFI 層で FlatBuffers にシリアル化され、壊れやすい構造体レイアウトの一致を回避し、各サイドの独立した進化を可能にします。

パニックの分離: Rust の catch_unwind は、すべての FFI エントリ ポイントをラップして、パニックが言語の境界を越えないようにします。これは未定義の動作となります。

このパターンにより、元のビジネス ルールを 1 行も書き直すことなく、実績のある C++ ロジックの信頼性を備えたマルチスレッド Rust のスループットが得られました。

避けるべき最大の落とし穴は何ですか?

最も危険な間違いは、C++ コードがスレッドセーフではないにもかかわらず、スレッドセーフであると仮定することです。グローバル状態、静的変数、および非再入可能ライブラリ呼び出しは、Rust のコンパイラが FFI 境界を越えて検出できないデータ競合を引き起こします。 Rust の安全性保証は、安全でないブロックで停止します。内部のすべてはあなたの責任です。

重要な洞察: Rust は独自のコード内でメモリの安全性を保証しますが、FFI 境界を越えて C++ に移行した瞬間に、C++ が抱えるスレッド セーフティの問題をすべて継承することになります。その境界の周囲のアーキテクチャは、その両側のコードよりも重要です。

もう 1 つのよくある落とし穴は、ライフタイム管理です。 C++ オブジェクトは Rust の借用チェッカーには参加しません。 C++ がまだポインターを保持しているときに Rust が参照を削除すると、解放後の使用に関するバグが発生し、診断が非常に困難になります。私たちは、厳密な所有権セマンティクスを強制することでこれに対処しました。C++ オブジェクトは常に 1 つの Rust ラッパーによって所有され、共有アクセスは Rust 側での Arc ベースの参照カウントを介して行われます。

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