Red Barchetta

My uncle has a country place
That no one knows about
He says it used to be a farm
Before the Motor Law

Red Barchetta es la segunda canción del álbum de 1981 "Moving Pictures" de la banda canadiense Rush. Narra una historia de ciencia ficción, en un mundo futuro donde los automóviles al parecer están prohibidos. 

La leyenda cuenta que Neil Peart simplemente adaptó un cuento del escritor Richard S. Foster titulado "A Nice Morning Drive", publicado en la revista Road and Track en 1973. Peart quizo contactar al autor, pero en Road and Track ya no tenían los datos de contacto de Foster, así que agregó al final de la letra en el álbum la frase: "Inspired by 'A Nice Morning Drive' by Richard S. Foster".

En 1996, cuando ya había internet, Richard S. Foster encuentra una copia de su trabajo en una página de fans de Rush. Recién ahí Foster hizo la conexión de la canción con su historia, a pesar de haberla escuchado muchas veces en la radio.

Lo curioso es que Richard S. Foster era un fan de las motocicletas, y en una convención en 2006, un amigo le habla del libro de Neil Peart "Ghost Rider", una obra que narra el viaje curativo del baterista tras la dramática pérdida de su esposa e hija, un recorrido de más de 150.000 kilómetros en motocicleta. Se trata de un diario de ruta, en que vemos cómo poco a poco, kilómetro a kilómetro, Neil Peart se va curando del dolor, la rabia y la pena de haber perdido a las mujeres más importantes en su vida (de esto ya hemos hablado antes).

Foster leyó el libro y lo encontró muy emotivo, así que en diciembre de 2006 decidió escribirle una carta a Peart, explicándole que él era el autor de 'Nice Morning Drive'. El escritor no tenía muchas esperanzas de que la carta llegara a manos del famoso rockero, dada la cantidad de correspondencia que la banda recibía, pero en enero recibió un paquete con una copia con una dedicatoria del siguiente libro de Peart, "RoadShow", más una larga carta. 

Aparte de que ambos compartían el amor por las motocicletas y eran orgullosos propietarios del mismo modelo, habían muchas similaridades entre ambas personalidades.

Con esto empezó una amistad por e-mail hasta que recibió una invitación para unirse en un "ride" durante el tour de "Snakes and Arrows" de 2007. Cuando por fin se encontraron en persona Foster le entregó al baterista una copia autografiada de Noviembre de 1973 de Road and Track[5].
Foster y Peart


Rust

Wind In my hair
Shifting and drifting
Mechanical music

Esta es la cuarta parte del cuarto desafío, en esta serie sobre esos "raros lenguajes nuevos". Es el turno de Rust, el lenguaje más cercano a la máquina de los nueve lenguajes oficiales que comprenden este desafío.

Rust es un lenguaje de programación de sistemas. 

Amo los lenguajes de programación de sistemas.

Cuando empecé mi carrera profesional escribía interfaces para PLCs (Programmable Logic Controllers) y módulos para aplicaciones SCADA (Supervisory Control An Data Acquisition). Sensores de temperatura, contaminantes, circuitos lógicos que activaban alarmas, abrían puertas o activaban robots ensacadores de cemento.

Todo lo escribíamos en C o C++. Recuerdo en particular una ocasión en que construí un sistema de réplica de base de datos de tiempo real, un sistema altamente concurrente en C++ y una historia de debugging que ya conté antes: http://www.lnds.net/blog/2010/08/historias-de-depuracion.html.

Si tuviera que hacer algo así en estos días, sin duda elegiría Rust (por sobre Go, pero ya hablaré de Go).
En el capítulo 1 de "Programming Rust"[4], de Jim Blandy y Jason Orendorff, los autores explican por qué Rust:

"Los lenguajes de programación de sistemas han recorrido un largo camino en los cincuenta años desde que empezamos a usar lenguajes de alto nivel para escribir sistemas operativos, pero dos problemas en particular han probado ser dificiles de superar:
- Es difícil escribir código seguro. Es especialmente dificil manejar memoria correctamente en C y C++. Los usuarios han sufrido las consecuencias por décadas, en la forma de agujeros de seguridad que datan desde tan antaño como el Morris Worm de 1988.
- Es muy difícil escribir código multi hebras, la que es la única forma de explotar las habilidades de las máquinas modernas. Aún los programadores experimentados se aproximan al código multi hebra con precaución: la concurrencia puede introducir una nueva clase de errores y volver a los errores ordinarios más difíciles de reproducir."


El objetivo de Rust es ser un lenguaje seguro para administrar memoria y la programación concurrente, con el desempeño de C y C++.

Rust es Rush

Ride like the wind
Straining the limits
Of machine and man
Laughing out loud with fear and hop
Rust es un lenguaje de programación de sistemas, cercano a la máquina, pero además es un lenguaje complejo. Complejo como "La Villa Strangiato", Jacob's Ladder o Natural Science. En otras palabras, aproximarse a "Tom Sawyer" o "The Trees", es un desafío mayor para cualquier baterista aficionado. Para qué hablar de las lineas de bajo en YYZ.

Aprender a programar en Rust es un desafío mayor para cualquiera, si no han programado algo en C++ o Java, en mi opinión les va a costar.

Rust es un lenguaje que es además una amalgama de varios paradigmas y tecnologías modernas en teoría de compiladores y lenguajes. Siempre he pensado que Rush es un gran antologista de las distintas épocas del rock. Es decir, el Rush de los 70 está muy influenciado por The Who, Led Zepellin, el Rush de los 80 por Yes, Genesis, y el New Wave, y así.

No me entiendan mal, Rush es una banda muy influyente,  pero también selecciona lo mejor de lo que está sonando en cada época, lo adapta y en algunos casos mejora, para entregar un producto original y potente.

Rust tiene las siguientes características de los lenguajes modernos:

- No hay null en Rust \o/
- Elementos de programación funcional (monads, como maps y option).
- Strong Typing y sobretodo Type Safety
- Tipos de datos Algebraicos y Tuplas
- Pattern matching para tipos
- Traits y polimorfismo, pero sin herencia ni clases
- Las variables son inmutables por defecto
- Tipos de punteros inteligentes
- Modo unsafe para escribir código directo a la máquina pero asumiendo como programadores el riesgo
- No hay garbage collection, pero tampoco hay que preocuparse de pedir o liberar memoria (no hay memory leaks).


Lo más interesante para mi es lo último, es un lenguaje donde no te preocupas de pedir ni liberar memoria, lo que parece casi milagroso, esta es una particularidad bien potente de Rust, pero tiene un precio, una complejidad y mayor verbosidad en el código, más la necesidad de entender bien el concepto de ownership.

Esto limita al lenguaje en expresividad desde la perspectiva de alguien acostumbrado a la programación orientada al objeto, pero a cambio obtenemos código más seguro y robusto.

Cuando empiezas a aprender Rust descubres que lidias mucho tiempo con el compilador, el que afortunadamente es muy bueno y te orienta muy bien. Para muchos programadores, que llevan varias horas usando Rust, esta lucha con el compilador significa que las horas de depuración se han reducido drásticamente, y les creo (ver: https://www.quora.com/What-do-C-C++-systems-programmers-think-of-Rust/answer/Mitchell-Nordine).

Huffman en Rust

Recordemos que en este desafío no queremos usar las estructuras de datos que ya tiene el lenguaje. Así que revisemos como lidiamos con el Heap (cola de prioridad).
Primero declaramos nuestro TDA:
	struct Heap {
data: Vec<Option<Tree>>,
last: usize
}
En Rust los miembros de una estructura son todos privados, así que si bien el cliente puede crear un Heap, no puede acceder a sus elementos, para operar con nuestro TDA, usamos algunos métodos que definimos mediante impl.
Fíjense que data es un vector de Option<Tree>, es decir, tiene elementos que pueden o no tener un Tree.
Option es un tipo algebraico que en Rust es más o menos así:
	enum Option<T> {
None,
Some(T)
}
Esto permite implementar la monad Option, que existe en otros lenguajes como Scala, Swift o Haskell. Esto evita usar punteros null para indicar la falta de un elemento en nuestro vector.
La implementación de los métodos de Heap se declaran acá:
	impl Heap {
pub fn new(size:usize) -> Heap {
Heap { data : vec![None;size+1], last : 0 }
}
pub fn insert(&mut self, elem:Tree) {
self.last += 1;
self.data[self.last] = Some(elem);
let mut j = self.last;
while j > 1 {
if freq(&self.data[j]) < freq(&self.data[j/2]) {
self.data.swap(j, j/2);
}
j /= 2;
}
}
pub fn extract(&mut self) -> Option<Tree> {
if self.last == 0 {
None
} else {
let min = self.data[1].clone();
self.data[1] = self.data[self.last].clone();
self.last -= 1;
let mut j = 1;
while 2 * j <= self.last {
let mut k = 2 * j;
if k + 1 <= self.last && freq(&self.data[k+1]) < freq(&self.data[k]) {
k += 1;
}
if freq(&self.data[j]) < freq(&self.data[k]) {
break;
}
self.data.swap(j, k);
j = k;
}
min
}
}
pub fn size(&mut self) -> usize { self.last }
}
Notar que tenemos un método llamado new(), que recibe un tamaño que es el tamaño que tendrá nuestro arreglo con los datos.
Rust sigue el modelo funcional en el sentido que la última expresión de una función es el valor que se retorna, veamos new de nuevo en detalle:
		pub fn new(size:usize) -> Heap {
Heap { data : vec![None;size+1], last : 0 }
}
Esta función retorna una estructura de tipo Heap, donde inicializamos cada elemento de la misma. La expresión vec![None;size+1], es la invocación a una macro, que crea un vector lleno de None (elementos vacios).
Así si queremos crear un Heap hacemos:
	let my_heap = Heap::new(100);
Y con esto creamos un heap de tamaño 100.
Rust es un lenguaje orientado al objeto, pero sin clases. Los métodos definidos en la sección Impl permiten agregar comportamiento a una estructura, convirtiéndola formalmente en un objeto. El método new no es un constructor, es un método estático, no hay constructores en Rust, basta escribir un método que devuelva la estructura inicializada.
Noten que hay métodos que reciben self como primer parámetro, estos son métodos propios del objeto, de este modo podemos hacer:
	my_heap.insert(tree);
Notarán que para ordenar los elementos del Heap usamos la función freq, esta es su implementación:
	fn freq(t:&Option<Tree>) -> usize {
match *t {
None => 0,
Some(ref t) => freq_tree(t)
}
}
fn freq_tree(t:&Tree) -> usize {
match *t {
Tree::Leaf(f, _) => f,
Tree::Node(f, _, _)=> f
}
}
Para entender por qué hay tantos & y * en nuestro código, y por qué aparece esas palabras raras como mut y ref en el código vamos a tener que explicar un poco del concepto de Ownership, que es fundamental en Rust.

Préstame tu auto tio

My uncle preserved for me
An old machine
For fifty-odd years
To keep it as new
Has been his dearest dream

Rust hace dos promesas:

  1. Tú, como programador, decides el tiempo de vida de cada valor en tu programa. Rust libera memoria y otros recursos que pertenezcan a un valor inmediatamente en un punto bajo tu control.
  2. Aún así, tu programa nunca usará un puntero a un objeto que ha sido liberado. Esto se conoce como "dangling pointer" y es un error común en C y C++. Si tienes suerte, tu programa se cae, sino tu programa tiene un agujero de seguridad. Rust atrapa este tipo de errores en tiempode compilación.
En C y C++ se cumple la primera promesa, pero a cambio el programador es responsable de asegurar la segunda promesa. Varios lenguajes intentan asegurar la segunda promesa usando Garbage Collection, que se asegura de liberar la memoria sólo cuando ningún puntero apunta al objeto. Pero ocurre que los recolectores de basura nos sorprenden bastante seguido con el hecho de que la memoria no es liberada cuando esperamos, y tratar de entender por qué es bastante complicado.
Para garantizar estas dos promesas Rust establece 3 reglas[2]:

  1. Cada variable en Rust tiene una variable que se denomina el propietario (owner).
  2. Sólo puede haber uno propietario a la vez.
  3. Cuando el propietario sale de alcance, el valor se libera.
Veamos un ejemplo:
	let x = String::from("hello");
let y = x;
println!("x = {}", x);
Esto no compila, porque x ha perdido la propiedad del string.
Una forma de resolver el problema es creando una copia:
	let x = String::from("hello");
let y = x.clone();
println!("x = {}", x);
println!("y = {}", y);
Pero esto duplica memoria, entonces otra alternativa es que y sea una referencia a x:
	let x = String::from("hello");
let ref y = x;
println!("x = {}", x);
println!("y = {}", y);
Esto también se puede hacer así:
	let x = String::from("hello");
let y = &x;
println!("x = {}", x);
println!("y = {}", y);
Acá el operado & crea una referencia a x.
¿Qué pasa si queremos modificar el valor de x?
	let x = String::from("hello");
x.push_str(", world!"); // <- error x es inmutable
println!("{}", x);
No podemos, porque x es inmutable, entonces debemos hacer:
	let mut x = String::from("hello");
x.push_str(", world!");
println!("{}", x);
¿Y qué ocurre con las referencias?
	let mut x = String::from("hello");
let y = &x; // <- error
y.push_str(", world!");
println!("{}", x);
tampoco funciona, debemos usar una referencia mutable también:
	let mut x = String::from("hello");
let mut y = &mut x;
y.push_str(", world!");
println!("{}", y);
Pero ojo, que no podemos hacer println!() pasando x (¿por qué?).

Las 3 reglas generan una serie de situaciones que son explicadas mejor en la documentación oficial de Rust, en particular todo lo relacionado con Ownership acá: https://doc.rust-lang.org/book/second-edition/ch04-01-what-is-ownership.html.

Lo último que falta explicar es el *, basicamente y permite obtener el valor apuntado por una referencia (igual que en C o C++), pero con las consideraciones que imponen las reglas de ownership de Rust.

Tipos de datos algebraicos y pattern matching

Rust tiene una característica bien interesante, que el tipo enum, que nos permite implementar tipos algebraicos:
Así nuestro tipo básico, el árbol de huffman se implementó así:
	#[derive(Clone)]
enum Tree {
Leaf(usize, u8),
Node(usize, Box<Tree>, Box<Tree>)
}
La directiva #[derive(Clone)] le indica a Rust que queremos que este tipo implemente la operación clone() un requisito para poder usarlo en combinación con Vec y Option.

En este caso nuestro tipo dice que un Tree puede ser una tupla Leaf(usize, u8) que contiene la frecuencia y el símbolo, y Node es un Tree que tiene la frecuencia (que es la suma de los sub árboles izquierdo y derecho) y dos árboles.

El tipo Box<Tree> es un smart pointer, que permite definir estructuras recursivas como Tree (en Rust el tamaño de las estructuras debe conocerse al momento de declararlas, como estamos definiendo Tree, usamos punteros, por eso usamos Box<Tree>).

¿Cómo usamos este tipo? Veamos un ejemplo, con la función write_tree, que escribe el árbol en un archivo:
	fn write_tree(tree:&Tree, writer:&mut BitOutputStream) {
match *tree {
Tree::Leaf(_, sym) => {
writer.write_bit(1);
writer.write_byte(sym as u16);
}
Tree::Node(_, ref left, ref right) => {
writer.write_bit(0);
write_tree(left, writer);
write_tree(right, writer);
}
}
}
Acá podemos ver que recibimos una referencia a Tree como primer argumento, por eso que usamos el * antes de usarlo en la sentencia match.
En match tenemos dos caso, que sea un Tree::Leaf o un Tree::Node. Notar que en este caso ignoramos el campo que almacena la frecuencia usando _.
Con esto ya podemos entender la función freq():
	fn freq(t:&Option<Tree>) -> usize {
match *t {
None => 0,
Some(ref t) => freq_tree(t)
}
}
fn freq_tree(t:&Tree) -> usize {
match *t {
Tree::Leaf(f, _) => f,
Tree::Node(f, _, _)=> f
}
}
La función freq simplemente trata el caso del Option para llamar a freq_tree(), que noten sólo se ocupa del primer elemento de las tuplas (f).
Todo el resto del código está, como siempre, en mi repositorio GitHub: https://github.com/lnds/9d9l/tree/master/desafio4/rust

Cierre

I strip away the old debris
That hides a shining car
A brilliant Red Barchetta
From a better vanished time
We'll fire up the willing engine
Responding with a roar
Tires spitting gravel
I commit my weekly crime

Rust es un lenguaje desafiante, por mucho rato traté de resolver esto mediante un enfoque orientado al objeto tratando de usar Traits, pero no era el camino, porque la clave es que en Rust todo el tamaño de las estructuras debe ser conocida en tiempo de compilación, los Trait son un contrato, no una estructura que ocupe espacio en memoria. Tampoco hay herencia de structs, así que el camino no iba por ahí. No implica esto que en Rust no puedes hacer orientación a objetos, lo que estoy diciendo es que para este caso, no era la manera adecuada.

Queda pendiente una solución de esto usando Traits, que se puede, pero mis conocimientos en Rust aún no están maduros para escribirla, les dejo el código para que lo analicen y se den una idea de cómo es Rust, una pista, se parece mucho a la solución Scala, así que eso ayuda mucho.

Para finalizar, escuchemos a Rush, con Red Barchetta:
Código fuente de los desafíos: https://github.com/lnds/9d9l


Referencias:

[1] Rust language oficial site: https://www.rust-lang.org/en-US/
[2] The Rust Programming Language: https://doc.rust-lang.org/book/
[3] Rust By Example: https://rustbyexample.com/
[4] Programming Rust, O'Reilly Media: http://shop.oreilly.com/product/0636920040385.do
[5] The Drummer, the Private Eye, and Me (Rush Fans Take Note), http://www.bmwbmw.org/forums/viewtopic.php?f=22&t=8693