In der Welt der eingebetteten Systeme und sicherheitskritischen Softwareentwicklung sind C und C++ nach wie vor die Standards. Sie gelten als solide, gut verstandene Programmiersprachen mit umfangreichen Ressourcen, Tools und einer großen Entwicklergemeinde. Doch genau diese weit verbreitete Nutzung bringt Risiken mit sich: Jahrzehntelange Erfahrung konnten bisher keine vollständig sichere und komfortable Variante von C oder C++ schaffen, die zugleich kosteneffizient und zuverlässig ist. Dies führt zu der berechtigten Frage, ob es nicht sinnvoller wäre, auf modernere Programmiersprachen wie Ada, SPARK oder Rust umzusteigen, die gezielt auf das Thema Softwarequalität, Sicherheit und Integrität ausgelegt sind. Die Entscheidung für eine dieser Alternativen hängt von mehreren Faktoren ab und erfordert ein sorgfältiges Abwägen der jeweiligen Vorteile, Herausforderungen und Zielsetzungen.
C und C++ sind in der Embedded-Entwicklung der klassische Standard. Viele bestehende Projekte und große Codebasen basieren darauf, und die Entwicklerteams sind gewohnt mit den Tools und Prozessen zu arbeiten. Die vorhersehbaren Kosten und bekannten Workflows sprechen für den Verbleib bei diesen Sprachen. Allerdings machen die bekannten Schwächen in Bezug auf Speicherprobleme, Pufferüberläufe oder ungeprüfte Zeigerzugriffe die Entwicklung von sicherer Software unnötig komplex. Fehler, die zu Sicherheitslücken oder Systemausfällen führen, sind trotz großem Aufwand nicht vollständig vermeidbar und kosten häufig nicht nur Entwicklungszeit, sondern auch im Betrieb durch Fehlerbehebung und Updates.
Hier kommen Ada und Rust als ernstzunehmende Alternativen ins Spiel. Beide bieten bedeutende Fortschritte im Vergleich zu C/C++. Ada profitiert von einer ausgereiften und stabilen Toolchain, die seit Jahrzehnten im Bereich sicherheitskritischer Anwendungen etabliert ist, beispielsweise in Luftfahrt und Bahnindustrie. Die Sprache zeichnet sich durch starke Typisierung und ein eingebautes Spezifikationssystem aus, das erlaubt, Software- und Hardwareanforderungen klar zu definieren und zur Laufzeit oder zur Kompilierzeit zu prüfen. Ada besitzt zudem eine vollständige Unterstützung für eingebaute Laufzeitsicherheitsmechanismen, die viele klassische Programmierfehler erkennen.
Rust hat sich durch seine innovative Speicherverwaltung einen Namen gemacht. Die Sprachfeatures rund um Besitz, Lebenszeit und das sogenannte Borrow-Checker-System verhindern eine ganze Klasse von Speicherfehlern schon während der Kompilierung. Diese Herangehensweise eliminiert viele Sicherheitsrisiken, die in C und C++ häufig sind. Rust verfügt zudem über eine lebendige und rasch wachsende Community, was bedeutet, dass eine Fülle an Bibliotheken und Tools zur Verfügung steht. Allerdings ist das Ökosystem für eingebettete Systeme und die erforderlichen Zertifizierungen noch im Aufbau, sodass manche Projekte hier vorsichtig abwägen müssen, wie schnell Risiken eingegangen werden können.
SPARK baut auf Ada auf und stellt eine weitergehende Stufe der Sicherheit und Qualitätssicherung dar. Durch industrielle formale Methoden ermöglicht SPARK die mathematische Verifikation von Softwareeigenschaften. Das bedeutet, dass kritische Eigenschaften bereits zur Kompilierzeit bewiesen werden können – etwa die Abwesenheit von Array-Überläufen oder die korrekte Umsetzung von Sperren in Mehrthreading-Szenarien. Dieser Paradigmenwechsel geht weit über herkömmliche statische Analysen oder Testing hinaus, indem er mittels Beweisen eine Nähe zur Fehlfreiheit der Software herstellt. Solche Methoden sind besonders wertvoll für XXL-Projekte mit hohem Sicherheitsbedarf, etwa in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder in der Medizintechnik.
Neben den technischen Möglichkeiten gibt es weitere wichtige Aspekte wie Community-Größe, Toolchain-Reife, Zertifizierungen und Kosten der Umstellung. Rust beeindruckt durch seine lebendige, schnell wachsende Community und breite Verfügbarkeit an Bibliotheken, allerdings ist die industrielle Toolunterstützung im Vergleich zu Ada noch begrenzt. Ada besticht dagegen durch eine ausgereifte und seit Jahrzehnten bewährte Toolchain mit umfassender industrieller Unterstützung und Zertifizierungsnachweisen für diverse sicherheitsrelevante Standards wie DO-178 für die Luftfahrt oder ISO 26262 für die Automobilindustrie. SPARK, als Speziallösung auf Ada-Basis, bietet ebenfalls off-the-shelf Zertifizierungen und eine äußerst stabile Entwicklungsumgebung. In Bezug auf Programmierparadigmen sind alle drei Sprachen imperative Systemsprachen, die eine modulare Struktur erlauben und objektorientierte Konzepte unterstützen.
Alle bieten Mechanismen zur Reduzierung von Programmierfehlern wie Array-Grenzprüfungen, Vermeidung uninitialisierter Variablen und Schutzmechanismen gegen Datenrennen. Ada und SPARK zeichnen sich durch ein besonders starkes Typsystem aus, das auch Constraints auf Wertebereiche erlauben kann. Dies sorgt für eine frühe Fehlererkennung und verhindert das versehentliche Vermischen inkompatibler Daten, was bei C/C++ ein häufiges Problem ist. Rusts Typisierung ist ebenfalls stark, jedoch noch nicht im selben Maße expressive wie Ada's. Ein weiterer Vorteil von Ada und SPARK ist die Möglichkeit, Softwareverträge (Contracts) zu definieren.
Diese können Vor- und Nachbedingungen sowie Invarianten enthalten – und das entweder zur Laufzeit geprüft oder, wie bei SPARK, formal bewiesen werden. Rust bietet bislang keine integrierte Spezifikationssprache für solche Verträge, was die Entwicklung hochintegrer Software erschwert und zu einem größeren Testaufwand führt. Memory Safety ist ein kritischer Faktor in der Wahl der Sprache. Rust setzt hier sehr konsequent auf sein Ownership- und Borrowing-Modell, das es ermöglicht, eine Vielzahl von Speicherfehlern bereits beim Kompilieren auszuschließen. Ada verfolgt einen Pointer-Vermeidungs-Ansatz, der zwar viele Risiken minimiert, jedoch aufgrund fehlendem Ownership-Modell nicht alle Speicherfehler verhindern kann.
SPARK ergänzt Ada um strikte Ownership- und Borrowing-Mechanismen, bietet also ein vergleichbares Sicherheitsniveau wie Rust und kombiniert dies mit formalen Verifikationsfähigkeiten. Die Kosten der Einführung einer neuen Sprache und Toolchain sind nicht zu unterschätzen. Sowohl Ada als auch Rust erfordern eine Lernphase für Entwickler und Anpassungen der bestehenden Infrastruktur. SPARK fordert darüber hinaus eine methodische Umstellung, da das Verifizieren von Softwareeigenschaften und die Integration formaler Methoden tief in den Entwicklungsprozess eingreifen. Diese Investitionen werden durch ein signifikantes Plus an Sicherheit, Wartbarkeit und Qualität langfristig gerechtfertigt.
Besonders in sicherheitskritischen Projekten amortisieren sich die Kosten durch reduzierte Fehler, weniger Nachtests und geringeren Wartungsaufwand. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl zwischen Ada, Rust und SPARK stark von den individuellen Projektanforderungen, dem Sicherheitsbedarf und der Bereitschaft zum Wandel abhängt. Rust besticht durch moderne Features, eine starke Community und Innovationskraft, ist aber in der embedded- und zertifizierten Welt noch im Aufbau. Ada bietet eine bewährte, stabile und zertifizierbare Basis mit umfassenden Spezifikations- und Constraint-Möglichkeiten. SPARK bietet als Speerspitze formaler Verifikation die Möglichkeit, Fehler mit mathematischer Sicherheit auszuschließen und eignet sich für Projekte, bei denen höchste Integrität und Zuverlässigkeit unabdingbar sind.
