Die Welt der asynchronen Programmierung ist längst ein fester Bestandteil moderner Softwareentwicklung, insbesondere wenn es um performante und ressourcenschonende Anwendungen geht. Rust, eine Programmiersprache, die für Sicherheit und Geschwindigkeit steht, behandelt asynchrone Konzepte mit vielversprechenden Ansätzen, darunter Koroutinen. Ein bemerkenswertes Werk, das sich diesem Thema widmet, ist das Buch "Asynchronous Programming in Rust" von Carl Fredrik Samson, das unter anderem die Implementierung von stackvollen Koroutinen (Fibers) für die x86_64-Architektur behandelt. Allerdings enthielt es ursprünglich keine Umsetzung für die ARM64-Architektur (AArch64), die heute auf einer Vielzahl von Geräten und Servern dominiert. Die Portierung dieser Koroutinen auf ARM64 bringt besondere Herausforderungen mit sich, die weit über reine Syntaxanpassungen hinausgehen.
In diesem Kontext stellt die ARM64-Variante eine spannende Erweiterung dar und es lohnt sich, den Weg dahin genauer zu betrachten. ARM64, auch AArch64 genannt, ist die 64-Bit-Implementierung der ARM-Architektur. Im Gegensatz zu x86_64 bietet ARM64 einen eher gleichförmigen Registersatz mit 31 allgemeinen Registern, die viele Aufgaben übernehmen können. Besonders charakteristisch für ARM64 ist der Gebrauch des Link-Registers (LR) für Rücksprungadressen bei Funktionsaufrufen. Während unter x86_64 die Rücksprungadressen auf dem Stack abgelegt werden, erfolgt bei ARM64 die Speicherung im LR, was spezielle Berücksichtigung bei der Kontextumschaltung von Koroutinen verlangt.
Das Aufzeichnen und Wiederherstellen von Kontextinformationen bei Koroutinen ist ein zentraler Bestandteil ihrer Funktionsweise. In der Portierung auf ARM64 müssen wichtige Register manuell gesichert und wiederhergestellt werden, darunter insbesondere die callee-saved Register (r19 bis r28), der Frame-Pointer (fp), das Link-Register (lr) und der Stack-Pointer (sp). Diese Register bilden den sogenannten ThreadContext, der den Zustand einer Koroutine einhält und den Wechsel zwischen verschiedenen Ausführungskontexten ermöglicht. Eine weitere Besonderheit bei ARM64 besteht darin, dass der Stack-Pointer nicht direkt aus dem Speicher geladen oder dort gespeichert werden kann. Stattdessen erfolgt der Zugriff immer über einen Zwischenschritt mit einem anderen Register, was in der Assembly-Implementierung der Kontextwechsel-Mechanismen berücksichtigt werden muss.
Ein wichtiger Bestandteil der Portierung ist der sogenannte Trampoline. Dieser fungiert als Sprungbrett, um die Ausführung einer Koroutine einzuleiten. Im Gegensatz zur x86_64-Version, in der die Rücksprungadressen direkt auf dem Stack arrangiert werden, wird bei ARM64 das Link-Register explizit auf eine Guard-Funktion gesetzt, bevor zur eigentlichen Koroutine gesprungen wird. Dabei werden die Funktionsadressen für die Koroutine und die Guard-Funktion auf dem Stack abgelegt, wodurch die Ausführung sauber vorbereitet wird. Technisch wird dies durch eine Assembly-Funktion umgesetzt, die mittels moderner Rust-Features wie #[unsafe(naked)] und naked_asm! realisiert wird.
Diese Konstrukte erlauben das Schreiben von Funktionen ohne prologue und epilogue, was für korrekte Kontextumschaltungen unabdingbar ist. In der Trampoline-Funktion werden die Funktionsadresse und die Guard-Address von der Seite des Stacks in die Register geladen und anschließend mittels Branch-Befehl zu der Koroutine gesprungen. Das ermöglicht einen reibungslosen Ablauf, der den Control-Flow sauber steuert und die nötigen Registerzustände berücksichtigt. Die switch-Funktion spielt eine zentrale Rolle beim Umschalten zwischen verschiedenen Koroutinen. Hier werden die callee-saved Register, der Frame-Pointer, das Link-Register und der Stack-Pointer vom aktuellen Kontext gesichert und die entsprechenden Werte des nächsten Kontexts geladen.
Dabei kommt ARM64-Assembly zur Anwendung, wobei die Speicherbefehle str und ldr genutzt werden, um die Registerwerte an festen Offsets im ThreadContext zu speichern beziehungsweise auszulesen. Auffällig ist die mögliche Optimierung, die in der Assembly noch nicht ausgereizt wurde: Die Speicherung und das Laden könnten effizienter mit stp- bzw. ldp-Instruktionen erfolgen, die zwei Register gleichzeitig behandeln und mittels post-increment-Adressierung den Code kompakter und schneller machen könnten. Ein Vorschlag zur Verbesserung ist damit Teil der Hausaufgaben der Portierung, um die Performance weiter zu steigern. Neben den technischen Einzelheiten wirft die Portierung auch grundlegende Fragen nach der Portabilität auf.
Eine gut gestaltete trampoline-Funktion kann die Architekturunterschiede abstrahieren, sodass derselbe koroutinenbasierte Code auf unterschiedlichen Plattformen läuft. Auf x86_64 erfolgt die Initialisierung des Stacks und der Register etwas anders, aber gleiche Konzepte lassen sich verwenden: Die Funktionsadresse und die Guard-Adresse werden in Register gelegt, der Stack entsprechend vorbereitet, bevor ein Sprung zur Koroutine durchgeführt wird. Dieser Ansatz fördert die Wiederverwendbarkeit des Codes und reduziert Architekturspezifische Abhängigkeiten. Zudem zeigt die Entwicklung der Rust-Sprache und deren Inline-Assembly-Support deutlich, wie wichtig es ist, moderne und sichere Konstrukte zu adaptieren. Die Verwendung von #[unsafe(naked)] Funktionen und naked_asm! bietet hier ein mächtiges Werkzeug, um plattformnahe Programmierung sauber und wartbar zu gestalten.
Dabei gilt es jedoch, sehr vorsichtig mit unsicherem Rust-Code umzugehen, um die Sicherheitseigenschaften der Sprache nicht zu kompromittieren. Die Portierung von Koroutinen auf ARM64 erweitert somit nicht nur die Nutzbarkeit der Beispiele aus dem Buch „Asynchronous Programming in Rust“ auf eine weit verbreitete Architektur, sondern demonstriert auch, wie tiefgehende Kenntnisse von Prozessorarchitektur, ABI (Application Binary Interface) und systemnaher Programmierung für moderne asynchrone Systeme essenziell sind. Entwicklern bietet dieser Prozess wertvolle Einblicke in das Zusammenspiel von Hardware, Compiler und Sprache und schafft die Grundlage für hochperformante und portable Software auf ARM-basierten Systemen. In der Zukunft kann die Portierung zudem erweitert werden, um Floating-Point-Register und SIMD-Register zu berücksichtigen oder weitere Optimierungen in der Assembly einzuführen. Einflussreiche Plattformen wie Apple Silicon oder gängige ARM-Server profitieren dabei direkt von verbesserten asynchronen Rust-Implementierungen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die ARM64-Portierung von Rust-Koroutinen ein gelungenes Beispiel für Architekturübergreifende Programmierung in sicherheitskritischen und performanten Kontexten darstellt. Sie verbindet tiefe technische Expertise mit modernen Sprachfeatures und bietet ein solides Fundament für die Entwicklung leistungsstarker asynchroner Anwendungen im Zeitalter von ARM. Für Rust-Entwickler, die sich in die low-level Welt der Koroutinen auf ARM-Architekturen vorwagen wollen, ist es eine spannende und lehrreiche Herausforderung, die zudem mit modernen Tools gut realisierbar ist.
