Die Programmiersprache Rust hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen und bietet insbesondere durch ihre Sicherheitseigenschaften und die Effizienz der erzeugten Programme eine hervorragende Basis für systemnahe Entwicklung. Ein besonders spannendes Thema dabei ist die Möglichkeit, Rust-Anwendungen komplett ohne die klassische C-Bibliothek Libc zu schreiben. Hierbei verzichtet man auf jegliche C-Code-Komponenten wie crt1.o oder Libc und nutzt Rust, um direkt mit dem Betriebssystem zu kommunizieren. Das Projekt Mustang ist ein Beispiel für einen solchen experimentellen Ansatz und zeigt, wie sich Rust-Programme erfolgreich und ganz ohne Libc realisieren lassen.
Mustang entstand aus der Erkenntnis heraus, dass die üblichen Bestandteile für den Prozessstart und die klassischen Systemaufrufe von Linux nicht zwingend auf C-Code angewiesen sind. Stattdessen besteht die Möglichkeit, diese Funktionalitäten mit reinem Rust-Code neu abzubilden und so eine schlankere und modernen Anforderungen entsprechende Basis zu schaffen. Ein Modul namens rustix dient dabei als zentraler Baustein. Es stellt eine API zur Verfügung, die ähnliche Funktionen wie Systemaufrufe bietet – ohne auf Libc zurückzugreifen. rustix arbeitet mit verschiedenen Backend-Optionen, darunter rohe Linux-Systemaufrufe, die eine direkte Kommunikation mit dem Betriebssystem ermöglichen und den Umweg über die libc-Bibliothek vermeiden.
Ein großer Knackpunkt war zudem der Prozessstart, der normalerweise über crt1.o gesteuert wird – eine kleine Codeeinheit, die vor dem eigentlichen Programmstart C-Setup-Routinen ausführt und komplexe Initialisierungen vornimmt. Die Mustang-Lösung ersetzt diesen Teil durch ein eigenes, minimalistisches Start-Up in Rust. Es wird für verschiedene Architekturen wie x86-64, x86 und AArch64 unterstützt. Durch den Verzicht auf die klassische C-Runtime kann das Ziel auch einfach mit speziellen Linker-Optionen erreicht werden, die verhindern, dass crt1.
o beim Bauen des Programms eingebunden wird. Der Effekt: Ein vollständig auf Rust basierendes Programm ohne Abhängigkeiten zu C-Komponenten. Doch wo liegen die tatsächlichen Vorteile dieses Ansatzes? Einerseits wird das Programm dadurch theoretisch portabler, denn es setzt keine spezielle C-Laufzeitumgebung voraus und hat weniger tiefgehende Abhängigkeiten. Andererseits ermöglicht es eine präzisere Kontrolle über den Ablauf beim Prozessstart, die Speicherverwaltung und den direkten Aufruf von Systemfunktionen. Damit können Entwickler eng an der Systemgrenze programmieren, ohne sich mit den häufig komplexen Interface-Definierungen der klassischen libc abmühen zu müssen.
Aber die Herausforderungen sind nicht zu unterschätzen. Die Rust-Standardbibliothek setzt bislang vielfach auf Libc und dessen APIs. Das bedeutet, dass ohne entsprechende Alternativen viele Programmierfunktionen zunächst nicht reibungslos arbeiten. Mustang begegnet diesem Problem mit einem cleveren Zwischenschritt: Einer C-kompatiblen ABI-Schicht namens c-scape, die essenzielle Funktionen wie write, strlen, memcpy oder mmap bereitstellt, aber komplett in Rust implementiert und intern auf rustix aufbaut. So wird das eigentliche Rust-Standard-Bibliotheksverhalten imitiert, ohne auf externen C-Code angewiesen zu sein.
Dieses Gerüst erlaubt es, auch komplexere Rust-Programme mit Standard-Bibliotheksunterstützung weiter auszuführen. Eine weitere Hürde ist die Speicherverwaltung. Der Default-Allocator von Rust verwendet in der Regel den libc-malloc. Mustang setzt hier auf eine bewährte Alternative namens wee_alloc, die ursprünglich für WebAssembly entwickelt wurde. wee_alloc ist einfach zu integrieren, benötigt nur wenige Systemfunktionen und passt gut zum minimalistischen Ansatz von Mustang.
So wird ein kompletter Rust-Stack ohne Libc inklusive zentraler Verwaltung für den Arbeitsspeicher möglich. Die Entstehung dieser Werkzeuge zeigt, dass es zwar neuartig und experimentell, aber durchaus machbar ist, das gesamte Programmierumfeld aus Rust heraus zu steuern – auch auf sehr niedriger Ebene. Es entsteht ein neuer Blick auf die Kommunikation mit dem Betriebssystem, der bisher von der Libc als unverrückbarem Fundament geprägt war. Mustang steht beispielhaft für diese Bewegung und verdeutlicht, wie man mit der richtigen Architektur und cleveren Systemaufrufen einen kompletten Prozess ohne C-Code laufen lassen kann. Trotz aller Fortschritte und Möglichkeiten weist Mustang genau wie vergleichbare Projekte noch wichtige Einschränkungen auf.
Der derzeitige Implementierungsstand ist experimentell, viele Teile sind noch durch unsicheren Code (unsafe) geprägt und es fehlen optimierte Routinen, die etablierten Implementierungen überlegen sind. Auch könnte die Vielfalt der Plattform- und System-APIs dafür sorgen, dass die universelle Anwendbarkeit und Portabilität schwer zu gewährleisten ist. Dennoch zeigt Mustang eine vielversprechende Orientierung, gerade wenn man die langfristige Vorstellung betrachtet, dass Betriebssysteme und Systemaufrufe in Zukunft mit sichereren, rust-typischen Konzepten gestaltet werden könnten. Ein Thema, das in diesem Zusammenhang eine besondere Rolle spielt, ist die Sicherheit. Während Rust für sicheren Code steht, sind die niedrigen Systemfunktionen oft noch mit unsicheren Pointer-Operationen und Rohzugriffen verbunden.
Die Entwicklung von eigenen, sichereren Schnittstellen für Kommandozeilenargumente, Umgebungsvariablen oder Fehlercodes könnte zukünftig die Systemprogrammierung auf eine neue Stufe heben. Mustang wirkt dabei als Experimentierfeld, das laut und deutlich aufzeigt, wie momentanige Konventionen gebrochen und neu gedacht werden können. Für Entwickler, die sich intensiver mit Rust und Systemprogrammierung beschäftigen möchten, bietet Mustang außerdem einen praktischen Einstiegspunkt, um die verborgenen Mechanismen des Prozessstarts, der Speicherverwaltung und der Systemaufrufe besser zu verstehen. Indem es die gesamte Schicht ohne Abhängigkeit auf C-Code nachbaut, erzwingt es ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise des Betriebssystems und die Anforderungen an sichere und effiziente Schnittstellen. Der Weg zu vollständig eigenständigen Rust-Programmen ohne Libc ist also keineswegs ein einfacher.
Er erfordert Mut zu experimentellem Code, Auseinandersetzung mit niedrigen Hardwareschnittstellen und ein umfangreiches Wissen um die Systemkonzepte. Doch der Lohn ist eine neue Art der systemnahen Programmierung, bei der alle Teile in einer Sprache geschrieben sind, von der Prozessinitialisierung über die Systemaufrufe bis hin zur Speicherverwaltung. Mustang demonstriert eindrucksvoll, wie solche Projekte heute bereits Gestalt annehmen. Abschließend lässt sich festhalten, dass die Herausforderung, Rust-Programme ohne Libc zu erstellen, weit mehr als nur ein akademisches Experiment ist. Es eröffnet Blickwinkel für optimierte, portable und moderne Systemsoftware, die Rusts sichere Programmierprinzipien mit den Anforderungen an minimale Laufzeitumgebungen vereint.
Während Mustang momentan noch in einem frühen Stadium ist, könnte der Ansatz künftig Impulse für neue Betriebssystemfunktionen, standardisierte APIs und eine noch sicherere Systemprogrammierung liefern. Die Vision einer komplett in Rust geschriebenen Systembibliothek, die auf klassische C-Implementationen verzichtet, bleibt damit ein spannendes Ziel, das Entwickler und Forscher gleichermaßen fasziniert und inspiriert.
