Linux的层级架构

每个操作系统都有一个内核，内核封装了底层硬件设备管理、内存管理、网络数据协议转化和收发传输、文件系统读写等。从这个图可以看到，内核将系统硬件与应用程序进程连接起来，隐藏了上层下层交互的一些细节，各司其职。

这些分层包括：

• 用户空间程序
• 系统调用的跨平台API(特定于平台的系统调用包装API)
• Rust标准库
• libc（或等效的API）
• kernel，操作系统的核心模块
• 硬件和其他设备（包括键盘、鼠标、监视器、磁盘驱动器）

Rust的标准库的功能划分

而Rust标准库，很好的利用了操作系统内核提供的API。

Rust标准库是Rust程序进入Linux操作系统内核函数的主要接口，它在内部使用libc(在Windows系统使用其他等效的库）来调用内核提供的系统调用。

从Rust程序中发起系统调用，以实现管理和操作各种系统资源（如图）。

libc（或其变体）为类UNIX操作系统上的系统调用提供了一个包装器，如Linux内核实现了POSIX标准指定的数百个POSIX API（对于Windows，系统调用有等效的API，也实现了POSIX标准[1]）。

作为标准库，Rust标准库是跨平台的，Rust标准库的系统调用的细节是从Rust开发人员那里抽象出来的。Rust也支持不依赖于标准库的运行方式（no_std 方式），Rust直接操控底层硬件（如应用在嵌入式系统开发场景），此时Rust就做了操作系统本身的工作。

对于大部分软件开发工程师而言，他们用Rust主要开发应用层软件，也就是运行在用户空间的程序。它们基于标准库编写，实现各种业务功能。应用层的软件并非所有模块和函数都涉及到系统调用（例如一些用于操作字符串和处理错误的函数，就无需调用系统调用）。

Rust标准库包括几大领域的模块，包括四大类：

第一类，Rust语言原语

即Rust Language Primitives：Rust 语言的基本元素或基本类型（如下图）。

如有符号整数、布尔值、浮点数、字符、字符串、数组、元组、切片。这些由Rust编译器负责实现。

Rust标准包括原语，并在它们之上构建。

第二类，alloc crate

与堆分配值的内存分配相关的类型、函数和特征。

包括集合（Vec、String等集合）、智能指针类型（Box<T>）、引用计数指针（Rc<T>）和原子引用计数指针（Arc<T>））。

第三类，core crate

作为Rust标准库的基础。充当Rust语言与标准库之间的链接，提供在Rust原语之上实现的类型、特征、常量和函数，并为所有Rust代码提供基础构建块，它是跨平台的，没有任何指向操作系统或其他外部依赖的链接。由于较少直接用到core crate，所以本文不做过多介绍。

第四类，模块（标准库的其他crate）

是标准库的一部分，模块crate包括针对并发、I/O，文件系统、网络、异步I/O、错误处理等功能，以及与特定操作系统相关的函数，Rust的官网对std有专门的文档[2]。例如

• 为用户程序在多个线程上并发运行的功能在std::thread模块中；
• 用于处理同步I/O的功能在std::io模块中提供；
• 针对特定os的模块，主要在std::os模块中实现。

下图展示了Rust标准库各个领域功能涉及到的具体std模块（如std::io、std::os等）

以下着重对第四类的主要 crate 做一介绍，并附上文档地址。

Rust的并发控制相关模块 conurrency：

std::env 模块[3]	包含与环境变量交互的功能，包括读取、设置和删除环境变量。
std::sync 模块[4]	提供了用于实现线程安全共享状态的同步原语，如互斥锁（Mutex）、原子操作（Atomic）和条件变量（Condvar）。
std::thread 模块[5]	提供了创建和管理线程的功能，包括线程的创建、 join、spawn 和同步。
std::process 模块[6]	提供了与操作系统进程交互的功能，包括运行外部命令、启动新进程以及与进程进行通信。

Rust的内存管理相关模块 memory management：

std::alloc 模块[7]	提供了内存分配器的功能，包括分配和释放动态内存。
std::convert 模块[8]	提供了用于不同类型之间转换的工具函数。
std::ptr 模块[9]	提供了对指针的操作和转换功能，包括对裸指针的操作。
std::borrow 模块[10]	提供了用于管理借用的功能，包括&和&mut借用运算符的实现。
std::default 模块[11]	提供了默认 trait 实现的功能，用于为不提供具体实现的类型提供默认行为。
std::rc 模块[12]	提供了引用计数（Reference Counting）的功能，用于实现线程安全的共享内存。
std::cell 模块[13]	提供了可变性的 Cell 和 RefCell 类型，用于在多线程环境下安全地共享可变状态。
std::mem 模块[14]	提供了与内存相关的功能，包括内存布局、内存对齐和内存操作。
std::clone 模块[15]	提供了用于实现克隆（Clone） trait 的功能，用于复制和克隆复杂的数据结构。
std::pin 模块[16]	提供了 Pin 类型，用于固定借用的生命周期，以避免悬垂指针和数据竞争问题。

Rust的文件系统操作相关模块 File system：

std::fs 模块[17]	提供了与文件系统操作相关的功能，包括文件和目录的创建、读取、写入和删除等操作。
std::path 模块[18]	提供了与文件路径相关的功能，包括路径的解析、构造和操作。

Rust的数据处理相关模块 data processing：

std::ascii 模块[19]	提供了与 ASCII 码相关的功能，包括对 ASCII 字符的操作和转换。
std::fmt 模块[20]	提供了格式化输出的功能，包括对各种数据类型的格式化和打印。
std::num 模块[21]	提供了对数字类型的抽象和操作，包括整数、浮点数和复数等。
std::cmp 模块[22]	提供了用于比较和排序值的工具，包括比较运算符的实现和排序函数。
std::hash 模块[23]	提供了用于计算哈希值的功能，包括对各种数据类型的哈希函数实现。
std::ops 模块[24]	提供了一些基本的运算符和操作符的实现，包括数学运算符、比较运算符和逻辑运算符等。
std::iter 模块[25]	提供了迭代器（Iterator）的功能，包括创建和操作迭代器的方法，以及一些常见的迭代器类型。

Rust的错误处理相关模块 Error handling：

std::error 模块[26]	提供了错误处理的功能，包括定义错误类型和处理错误的方法。
std::panic 模块[27]	提供了恐慌（Panic）机制，用于处理不可恢复的错误情况。
std::option 模块[28]	提供了 Option 类型，用于表示可能存在或不存在的值，用于处理可能出现空值的情况。
std::result 模块[29]	提供了 Result 类型，用于表示成功或失败的情况，通常用于处理可能出现错误的函数返回值。

Rust的编译处理相关模块 compiler：

std::hint 模块[30]	提供了一些用于编译器提示的宏，用于影响编译器的优化行为。
std::primitive 模块[31]	提供了一些基本的类型和函数，用于处理数字、字符和布尔值等基本数据类型。
std::prelude 模块[32]	包含了一些基本的函数和宏，这些函数和宏在 Rust 标准库中被广泛使用，并且在每个 Rust 程序中自动导入。

Rust的跨语言调用相关模块：FFI

std::ffi 模块[33]	提供了与外部函数接口（Foreign Function Interface，FFI）相关的功能，用于与其他语言或库进行交互。

Rust的网络处理功能模块 Networking：

std::net 模块[34]	提供了与网络编程相关的功能，包括网络协议、套接字（Socket）和网络地址等。

Rust的IO处理模块：

std::io 模块[35]	提供了与输入输出相关的功能，包括文件操作、缓冲、读写数据等。

Rust的OS特定的功能模块：

std::os 模块[36]	提供了与操作系统相关的功能，包括文件系统操作、进程管理和系统信息等。

Rust的时间处理模块：

std::time 模块[37]	提供了与时间和日期相关的功能，包括时间的表示、解析、转换和计算等。

参考资料：

• [1]POSIX标准: https://www.baike.com/wiki/%E5%8F%AF%E7%A7%BB%E6%A4%8D%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E6%8E%A5%E5%8F%A3/1647475
• [2]std有专门的文档: https://doc.rust-lang.org/std/index.html
• [3]std::env 模块: https://doc.rust-lang.org/std/env/index.html
• [4]std::sync 模块: https://doc.rust-lang.org/std/sync/index.html
• [5]std::thread 模块: https://doc.rust-lang.org/std/thread/index.html
• [6]std::process 模块: https://doc.rust-lang.org/std/process/index.html
• [7]std::alloc 模块: https://doc.rust-lang.org/std/alloc/index.html
• [8]std::convert 模块: https://doc.rust-lang.org/std/convert/index.html
• [9]std::ptr 模块: https://doc.rust-lang.org/std/ptr/index.html
• [10]std::borrow 模块: https://doc.rust-lang.org/std/borrow/index.html
• [11]std::default 模块: https://doc.rust-lang.org/std/default/index.html
• [12]std::rc 模块: https://doc.rust-lang.org/std/rc/index.html
• [13]std::cell 模块: https://doc.rust-lang.org/std/cell/index.html
• [14]std::mem 模块: https://doc.rust-lang.org/std/mem/index.html
• [15]std::clone 模块: https://doc.rust-lang.org/std/clone/index.html
• [16]std::pin 模块: https://doc.rust-lang.org/std/pin/index.html
• [17]std::fs 模块: https://doc.rust-lang.org/std/fs/index.html
• [18]std::path 模块: https://doc.rust-lang.org/std/path/index.html
• [19]std::ascii 模块: https://doc.rust-lang.org/std/ascii/index.html
• [20]std::fmt 模块: https://doc.rust-lang.org/std/fmt/index.html
• [21]std::num 模块: https://doc.rust-lang.org/std/num/index.html
• [22]std::cmp 模块: https://doc.rust-lang.org/std/cmp/index.html
• [23]std::hash 模块: https://doc.rust-lang.org/std/hash/index.html
• [24]std::ops 模块: https://doc.rust-lang.org/std/ops/index.html
• [25]std::iter 模块: https://doc.rust-lang.org/std/iter/index.html
• [26]std::error 模块: https://doc.rust-lang.org/std/error/index.html
• [27]std::panic 模块: https://doc.rust-lang.org/std/panic/index.html
• [28]std::option 模块: https://doc.rust-lang.org/std/option/index.html
• [29]std::result 模块: https://doc.rust-lang.org/std/result/index.html
• [30]std::hint 模块: https://doc.rust-lang.org/std/hint/index.html
• [31]std::primitive 模块: https://doc.rust-lang.org/std/primitive/index.html
• [32]std::prelude 模块: https://doc.rust-lang.org/std/prelude/index.html
• [33]std::ffi 模块: https://doc.rust-lang.org/std/ffi/index.html
• [34]std::net 模块: https://doc.rust-lang.org/std/net/index.html
• [35]std::io 模块: https://doc.rust-lang.org/std/io/index.html
• [36]std::os 模块: https://doc.rust-lang.org/std/os/index.html
• [37]std::time 模块: https://doc.rust-lang.org/std/time/index.html