러스트 임베디드 양산 제품 개발기 - 3 컴파일 타임에 맡기세요

서론 #

이 글을 읽기 전에 rust 문법에 대한 이해가 부족하다면 이전 글 2탄 기초 공부 방법 및 특징 에 적힌 #러스트-공부 문단을 읽고 올 것을 권합니다. 이 외에도 김기오 님이 남겨주신 좋은 글 평범한 C개발자의 Rust입문기: Rust에 입문하는 C개발자를 위한 안내서또한 추천드립니다.

컴파일 타임에 맡기세요 #

일반적인 함수는 컴파일 내에 결과가 예측이 되면 상수 (불변의 값)을 그대로 사용한다.

하지만 불변의 값으로 저장하는 것이 비효율적이라고 판단될 시 함수 형태로 instruction 상에 남아있다.

임베디드, 특히 저가의 MCU위에서 동작하는 펌웨어의 경우 램의 용량은 매우 작다. (필자가 사용한 MCU STM32G030C8 은 8KiB이다.).

최대한 컴파일 시간에 복잡한 연산도 상수의 성격을 띠는 데이터로 남긴 뒤 Flash 영역 (.text 혹은 .rodata) 에 적재시키기 위해서 일반적인 러스트 프로그래밍을 가끔씩 벗어나 이를 고려하여 코드를 작성했다.

const fn #

const fn은 일반 fn과는 다르게 컴파일 타임에 상수 성격을 띠는 데이터를 가져오는 것을 보장한다.

const fn const_add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

const fn const_add_round_up(a: i32, b: i32) -> i32 {
    let added = const_add(a, b); // 안에 있는 함수는 무조건 const 형태여야 한다.
    (added / 10) * 10
}

하지만 그만큼 제약도 많다. const fn 스코프 안에 있는 함수는 const fn로 구성되어 있어야 하며, 다른 연산자들 또한 컴파일 타임 내에 연산이 가능한 형태여야만 한다.

반대로 일반적인 fn 혹은 async fn 스코프 안에서는 const fn을 사용할 수 있다.

const impl #

일반적인 함수를 const 형태로 만드는 것은 간단하지만 구조체 struct를 위한 함수로 만드는 순간 어려운 문제들에 봉착하게 된다. 이 부분은 후술하게 될 const trait 에서 다루게 된다.

우선은 가장 간단한 특정 구조체 struct의 default에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.

pub enum Player {
    Undefined = 0,
    Player1 = 1,
    Player2 = 2,
}

impl Player {
    pub const fn default() -> Self {
        Self::Undefined
    }
}

결과적으로 코드는 매우 간단하지만 이와 같이 사용함으로서 default() 를 호출하는 쪽에서는 컴파일 타임 내에 상수를 얻을 수 있다. 더 복잡한 것을 원하는 경우에는 복잡한 값을 넣어주면된다. 위에서도 언급한것과 인자가 유동적이지 않는 한 함수 형태로 남지않기에 분기문, 스택에서 왔다 갔다 하는 과정, 그 와중에 레지스터를 백업하고 롤백 하는 과정의 생략을 보장받을 수 있다.

const trait #

이제 대망의 const trait 이며 글을 작성한 시점(2023년 11월)에선 nightly feature이다. 여기서 부터는 왜 러스트가 const fn / impl / trait 이 아직까지 논의중인 RFC인지 동시에 서술한다.

이미 존재하는 trait과의 충돌 #

위에서 언급한 pub const fn default()에서 이상한 점을 찾았는가?

그것은 바로 Default trait이 이미 따로 있다는 것이다.

하지만 Default trait 의 정의는 const 형태가 아니다.

불특정 다수의 구조체 struct가 core::default::Default trait의 impl가 딱 봐도 너무 간단한 경우가 많다. 하지만 눈대중으로 판단하기에 아무리 간단하더라도 이 경우엔 const fn 안에서는 사용할 수 없다.

Into/From의 경우 #

아직까지는 const 특성을 이용해 Default trait을 통한 추상화를 할 일은 거의 없었지만 외외로 into, from 가 문제였다.

현재로서는 core::default::From 의 Trait정의를 const trait에 맞게 ConstInto, ConstFrom으로 수정하여 사용하면 아래와 같이 사용할 수 있다.

• Product에 사용한 ConstConvert 정의

const 형태를 띄는 Into/From 의 사용 예시

pub struct UnpackedQuad4Bits {
    pub b0: u8,
    pub b1: u8,
    pub b2: u8,
    pub b3: u8,
}

#[derive(PartialEq)]
pub struct PackedQuad4Bits {
    inner: u16,
}

impl const ConstFrom<UnpackedQuad4Bits> for PackedQuad4Bits {
    fn const_from(value: UnpackedQuad4Bits) -> Self {
        PackedQuad4Bits {
            inner: ((value.b0 as u16 & 0xF) << 12)
                | ((value.b1 as u16 & 0xF) << 8)
                | ((value.b2 as u16 & 0xF) << 4)
                | (value.b3 as u16 & 0xF),
        }
    }
}

#[test]
fn test() {
        assert_eq!(
        PackedQuad4Bits::const_from(UnpackedQuad4Bits {
            b0: 0x0, b1: 0x1, b2: 0x2, b3: 0x3 }),
        PackedQuad4Bits { inner: 0x0123 }
    );
}

ConstInto / ConstFrom과 const 형태로 만들어서 사용하면 기존의 Into/From으로 .into() 형태로 곧바로 사용할 수 없으며 또다시 Into/From trait 정의에서 앞의 const 메서드를 호출해야 하지만 컴파일 타임 안에 into를 정의할 수 있다.

nightly feature인 const trait #

아직까지 const trait은 nigtly feature이다. 개인적인 감상으로는 niglty compiler의 버전을 조금씩 바꿀 때마다 플래그 변경을 해줘야만 그대로 쓸 수 있었다. 하지만 그럼에도 불구하고 경우에 따라서는 매우 필요한 기능이다.(물론 안 쓰고 const fn 만 써서 할 수 있다.)

const trait을 정의하는 경우에는 #[const_trait]을 trait 정의 앞에 붙여줘야하며 lib.rs 혹은 main.rs에 #![feature(const_trait_impl)] 를 선언해줘야한다.

• Tracking issue for RFC 2632, impl const Trait for Ty and ~const (tilde const) syntax