Rust 编程基础教程 Programming Rust Teach your friends and family how to programin Rust
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
Rust 作为一种当代、高效率与安全性兼备的系统编程语言，在软件开发领域占据重要地位。
该语言旨在用于构建具有高度可靠性和稳定性的高效且可扩展性的软件系统。
特别适用于底层操作系统及底层应用开发。
该编程语言以其卓越的性能著称，并在处理速度与资源利用方面超越了C/C++。
同时提供友好易用性与丰富多样的功能库（The standard library）。
此外，《The Rust programming language》在内存安全性与线程安全性管理上表现更为出色。
选择学习Rust的原因是什么？它有哪些独特的优势？作为一名Rustacean ，我希望深入了解如何有效地教授朋友和同事编程知识，并帮助他们在学习Rust的过程中深入理解其精髓，在这个过程中还能使他们在实际工作中灵活运用这一技术。
本文旨在通过传授编程知识、增强编程技能、描述Rust在实际生产环境中的应用实例、提升社区协作能力以及向更多人介绍Rust的魅力等方式帮助大家更好地理解Rust及其优势，并熟练运用Rust进行实际开发。
如果读完本文，您将能够：
- 深入学习并实践与Rust相关的知识内容, 熟悉其生态系统以及核心设计理念;
- 对比分析其他主流编程语言的特性, 探讨Rust在不同编程范式下的设计理念及实现策略;
- 借助实际教学案例, 掌握运用Rust开发高效安全程序的技术;
- 利用Rust开源生态系统提供的强大工具, 构建性能优越且稳定的系统架构。
该文章将分为若干个专门的部分, 每个部分都将围绕其核心主题展开讨论. 通过这些内容的学习与探讨, 相信读者能够全面掌握Rust语言并将其实际应用中.
我们真诚地期待读者在阅读过程中提出宝贵的见解和建议, 在此过程中共同提升本文的质量与深度.
2. 基本概念术语说明
2.1 概念定义
1.1编程语言（programming language）
程序设计语言通常是人们用来指示计算机执行运算指令或操作并遵循特定语法规则的语言体系。
认为将"编程语言"仅定义为"人工所创设的一系列符号系统和操作指令"存在局限性。实际上,"编程语言"本质上就是计算机执行特定任务所需遵循的规定、准则以及沟通手段,它构成了人机之间理解与协作的基础桥梁。从其组成来看,编程语言主要包含词法、语法和语义三大子模块,它们共同规范着程序流程并赋予程序执行意义,最终将这些抽象逻辑转化为可供计算机运行的操作指令序列。
1.2编译型语言vs解释型语言
1.2.1 编译型语言
编译型语言需在程序执行前将源代码转换为机器码以便运行，在程序执行前需完成这一过程。由编译器处理生成的可执行文件通常可在不同平台使用，并能在无需任何额外依赖项的情况下正常运行。所列举的语言包括C、C++、Java及GoLang等。
优点：程序无需在运行时添加额外解释步骤，在运行时即能即时执行其预编译代码。从编译效率的角度来看，在相同条件下构建源码所需的总时间相对缩短，并且所生成的目标文件占据较少磁盘空间同时能够快速进入工作状态。这些特性使其非常适合用于高性能需求以及需要跨平台兼容的应用场景。
缺点：修改代码后需重新编译整个程序流程较为繁琐，并且由于编译后的代码无法进行加密处理而导致敏感信息泄露。
1.2.2 解释型语言
在运行时将源代码转换为机器码的是解释型语言。当处理每条指令或表达式时会立即执行的机制是基于解释器的编程范式。解析型语言不需要预先编译即可执行其原始代码。例如Python、JavaScript和Ruby等编程语言采用这种方式。
优点：解释型语言在运行过程中能够追踪变量值的变化、检测潜在的语法错误以及动态生成对象等各项功能。其调试过程简便，在开发环境中只需在运行状态下即可对代码进行修改无需重新启动程序。特别适用于新手开发者进行快速实验和探索各种编码方案。
缺点：解释器缺乏高效的代码优化能力，并且在运行时需要一次性加载全部代码到内存中以避免数据丢失问题。同时它所占有的内存空间会相对较大。
1.3静态类型 vs 动态类型
1.3.1 静态类型
静态类型的编程语言中变量在编译阶段需明确指定其数据类型，在运行时才执行相应的操作；否则将导致类型相关错误。如C语言、Java和Swift等编程范例所示
该方案不仅能够提升代码库的易读性和核心代码模块的稳定性，并能在一定程度上优化系统的性能表现。
编译器有时会遇到挑战以识别变量类型, 从而导致程序难以进行有效的调试, 同时这可能会影响 program performance.
1.3.2 动态类型
动态类型的变量在编程中并不固定地分配类型，在运行时根据值的实际类型进行调整。例如，在Python和JavaScript中就采用这种方法。
优点：无需预先指定变量的数据类型，在运行时阶段可随意更改变量的数据类型，并有助于减少编码过程中的复杂性。
缺点比较明显的是运行时类型判断所需的资源消耗较高；此外，在处理变量类型的多样性时可能会导致运行时出现异常情况。
1.4静态语言 vs 动态语言
1.4.1 静态语言
静态语言是在编译时就已经确定函数调用的结果的语言。例如：C、Java、C#。
优势在于，在编译阶段即可确定函数调用的结果；因此，在输入参数发生变更时，不影响相应函数的调用指令；从而能够生成经过高度优化的二进制指令。
主要缺点在于对那些涉及复杂运算的语言而言,如果其函数结果会受运行时环境影响,则这种语言将无法实现
动态语言的执行过程决定了函数调用的结果是什么。其中一些著名的实例包括Python和JavaScript。
优点：动态语言不受限制于函数调用的条件，并非所有情况都需要预先定义；只要满足语法规范即可，在运行时可以根据具体的上下文环境灵活地进行函数调用配置和优化设置。
其弊端在于使用动态语言会导致运行时开销增大，并且在某些未预见的情况下还会引发运行时异常。
1.5 可移植性 vs 可扩展性
1.5.1 可移植性
可移植性主要体现在软件能够在多种硬件和操作系统平台上的良好运行能力。具备良好的可移植性旨在确保软件能在各种不同的系统环境下稳定运行。该特征涵盖了不同处理器架构、操作系统版本以及可用资源等多种因素。
1.5.2 可扩展性
灵活性体现在系统的能力和性能能够根据实际需求进行增删改。该特性可通过增添新的组件或更换现有组件等方式得以实现。良好的灵活性有助于提升系统应对业务增长的能力。
2.2 Rust 语言特征
2.2.1 运行速度
Rust 具有很高的运行速度，原因如下：
- LLVM 优化编译器体系。该体系通过寄存器分配优化数据布局、内联缓存机制以及指针分析等技术手段，在代码运行效率方面展现出显著优势。
- Rust 引入了精确的内存安全性机制。通过借用检查和生命周期系统管理策略，在程序执行期间确保堆内存中的变量仅在指定的有效生命周期内存在。
- 线程安全完全由编译器实现保障。借助数据竞争检测机制，在多处理器环境下可有效避免资源共享引发的潜在冲突问题。
2.2.2 自动内存管理
Rust具备自动生成存管理和回收机制的能力。编译器会自行处理内存的分配与销毁工作。从而最大限度地降低了因未及时销毁内存而引发的崩溃等异常情况的可能性。
2.2.3 零成本抽象
该语言实现了零成本抽象机制, 这表明用户无需担忧底层内存管理和数据访问细节, 只需专注于与其直接相关的业务逻辑, 从而使得程序人员能够将精力集中在核心业务上, 而无需深入处理计算机系统的底层实现问题
2.2.4 线程安全
Rust 拥有线程安全机制这一特性，在多线程环境下能够确保用户和数据结构的安全使用。该机制通过竞争检测技术、原子操作以及互斥锁等多种手段实现功能，并最大限度地防止多线程并发访问所导致的问题发生
2.2.5 智能指针
该语言提供了智能指针机制，并包含三种类型的引用：Box、Rc 和 Arc。其中一种是不可变对象引用来代表Box类型。而Rc和Arc类则分别用于具有共享引用计数的可变对象引用来代表它们。这些智能指针机制均通过编译器强大的静态分析能力和引用借用检测技术来规避数据竞争问题及内存管理潜在风险。
2.2.6 模块化
Rust遵循模块化设计原则来组织代码。每个模块都是一个独立的 crate，并且能够有效地复用其他 crate中的代码。这种设计有助于避免重复造轮子，并使编程变得更加灵活。
3. Rust 基础语法
3.1 Hello World!
fn main() {
println!("Hello, world!");
}
代码解读以上是最简单的 Rust 程序，包含了一个 main 函数和一个 println! 语句。
3.2 数据类型
3.2.1 整数类型
Rust 支持八种整型：i8、i16、i32、i64、u8、u16、u32、u64，还有对应的取负类型 isize、usize。
let x: i32 = 42; // 有符号的 32 位整数
let y: u8 = b'A'; // 无符号的 8 位字符
代码解读3.2.2 浮点类型
Rust 支持四种浮点类型：f32、f64。
let z: f64 = 3.14159265358979323846;
代码解读3.2.3 布尔类型
Rust 中只有 true 和 false 两个布尔值。
let condition = true;
if condition {
println!("Condition is true");
} else {
println!("Condition is false");
}
代码解读3.2.4 数组类型
数组是一个固定长度的元素序列，元素类型相同。
let array1 = [1, 2, 3];
let array2 = ["hello", "world"]; // 不同类型元素组成的数组
代码解读3.2.5 元组类型
元组是一个固定长度的元素序列，各个元素类型可以不同。
let tuple1 = (1, "hello", 3.14);
let (_, s, _) = tuple1; // 解构元组
代码解读3.2.6 结构体类型
结构体就是命名的字段的集合，提供了自定义类型的行为。
struct Point {
x: i32,
y: i32,
}
let point = Point { x: 0, y: 0 }; // 创建 Point 类型的值
代码解读3.2.7 枚举类型
枚举是一系列的类似 struct 的结构体，但是只能是已知类型的枚举成员。
enum Color {
Red,
Green,
Blue,
}
let color = Color::Red; // 指定枚举成员
match color {
Color::Red => println!("Color is red"),
_ => (), // 忽略所有其他成员
}
代码解读3.2.8 trait
该 interface 由 trait 用于定义一类功能相关的操作，并可由其他类型的实例来实现其功能作为沟通工具提供的统一 interface
trait Animal {
fn make_sound(&self);
}
impl Animal for Dog {
fn make_sound(&self) {
println!("Woof!");
}
}
代码解读3.2.9 生命周期注解
Rust的生命周期注解（即 lifetime annotation）能够帮助编译器确定数据在何处使用的过程，并以此预防内存相关问题的发生。周期性注解中的参数被'<’和‘>'包围。
fn print(s: &str) -> String {
println!("{}", s);
s.to_string()
}
fn consume(_: String) {}
fn create_and_consume(input: &'a str) {
let output = print(input);
consume(output);
}
代码解读上面的例子中，在函数接口说明中使用了'a这一标记符来表示输入参数的时间限制注解。这表明输出结果的时间限制与其指定标记符的时间限制具有相同的持续时长。在实现细节部分可以看到，默认情况下函数会接收一个字符切片对象作为输入参数，并通过这种机制完成数据处理过程；在实际应用中可以通过这种方式实现对数据流的有效处理功能
3.3 表达式
3.3.1 赋值表达式
let mut x = 0; // 声明并初始化 x 为 0
x += 1; // 递增 x 的值为 1
代码解读3.3.2 算术运算表达式
let sum = 1 + 2 * 3; // 计算乘法优先级
let difference = 10 % 3; // 获取余数
代码解读3.3.3 比较表达式
let equal = 1 == 1 && 2 <= 1 || 2 >= 1; // 检查条件是否成立
代码解读3.3.4 逻辑运算表达式
let a = true && true; // 检查 a 是否同时为 true
let b = true || false; // 检查 b 是否为 true 或 false
let c =!true; // 检查!c 是否为 false
代码解读3.3.5 成员访问表达式
let value = myStruct.field1.field2; // 根据路径获取结构体字段的值
代码解读3.3.6 函数调用表达式
let result = add(2, 3); // 调用名为 add 的函数
代码解读3.3.7 Index 操作表达式
let xs = vec![1, 2, 3];
let first = xs[0]; // 获取第一个元素
代码解读3.3.8 Field 操作表达式
let person = Person { name: "Alice" };
let age = person.age(); // 调用名为 age 的方法
代码解读3.3.9 Range 操作表达式
let range = 0..10; // 从 0 到 9 的范围
for num in range {
println!("{}", num);
}
代码解读3.3.10 Block 操作表达式
let result = {
let x = 2;
let y = 3;
x * y // 返回 6
};
代码解读3.3.11 If 操作表达式
let condition = true;
let number = if condition { 5 } else { 0 }; // 判断条件并赋值
代码解读3.3.12 Match 操作表达式
let x = 10;
let result = match x {
0 | 1 => "small",
2...9 => "medium",
_ => "large",
}; // 根据匹配值返回不同的消息
代码解读3.4 语句
3.4.1 Expression Statement
表达式句子（expression sentence）指的是无分号的句子，并由一个独立的表达式构成，在这种情况下该表达式的计算结果会被舍弃。
fn do_something() -> bool {
return true; // 此语句是表达式语句，return 表达式的值为 true
}
代码解读3.4.2 Let Statement
let 语句（let statement）用来声明变量并初始化。
let x: i32 = 42; // 声明变量并初始化
let mut x = 0; // 声明可变变量并初始化
代码解读3.4.3 Return Statement
return 语句用来退出当前函数，并返回一个值给调用者。
fn calculate(x: i32, y: i32) -> i32 {
return x + y; // 退出函数并返回求和结果
}
代码解读3.4.4 Defer Statement
该语言提供了‘defer’关键字来绑定一个回调函数到指定的作用域，并在退出该作用域时自动执行绑定的回调函数。
use std::fs::File;
use std::io::{Read, Write};
use std::path::Path;
fn process(filename: &str) -> Result<(), std::io::Error> {
let path = Path::new(filename);
let mut file = File::open(path)?;
let mut contents = String::new();
file.read_to_string(&mut contents)?;
// 文件关闭操作可以放在 defer 语句中，保证即使出错也能保证关闭操作的执行
drop(file);
Ok(())
}
fn main() -> Result<(), std::io::Error> {
process("test.txt")?;
Ok(())
}
代码解读3.4.5 While Statement
while 语句用来循环执行代码块，直到指定的条件为假。
let mut count = 0;
while count < 5 {
println!("count = {}", count);
count += 1;
}
代码解读3.4.6 Loop Statement
loop 语句用来无限循环执行代码块。
loop {
println!("This code will never terminate.");
}
代码解读3.4.7 For Statement
for 语句用来遍历集合中的元素，并执行代码块。
let v = vec![1, 2, 3];
for elem in v {
println!("{}", elem);
}
代码解读3.4.8 Continue Statement
continue 语句用来跳过当前迭代，继续执行下一次迭代。
for n in 0..=5 {
if n % 2 == 0 {
continue; // 跳过偶数
}
println!("n = {}", n);
}
代码解读3.4.9 Break Statement
break 语句用来终止当前循环。
loop {
let answer = get_answer();
if answer == "yes!" {
break; // 退出循环
}
}
代码解读3.4.10 Match Statement
match 语句用来匹配表达式并执行相应的代码块。
let x = Some(10);
match x {
None => println!("No value"),
Some(value) => println!("Value is {}", value),
}
代码解读3.4.11 If let Statement
if let 语句用来匹配变量，并执行匹配的代码块。
if let Some(x) = maybe_x {
// 执行代码块
}
代码解读4. Rust 控制流
4.1 if let 表达式
如果让表达式相当于一个if表达式的简化形式，则提供了一种方法，在if语句的匹配分支中绑定模式。
fn abs(num: i32) -> i32 {
if num >= 0 {
num
} else {
-num
}
}
// 等价于：
fn abs(num: i32) -> i32 {
match num {
n if n >= 0 => n,
n => -n,
}
}
代码解读4.2 match 表达式中的生命周期注释
pattern 表达式支持带有周期性标记。可以在匹配值中添加相应的周期性标记，并能够指定匹配值所处的时间范围。从而使得关联的临时变量能够限定其自身的周期性范围。
enum Message {
Quit,
Move { x: i32, y: i32 },
Write(String),
ChangeColor(i32, i32, i32),
}
impl Message {
fn call(&self) {
match self {
Message::Quit => println!("Goodbye"),
Message::Move { x, y } => println!("Moving to ({}, {})", x, y),
Message::Write(text) => println!("Writing '{}'", text),
Message::ChangeColor(r, g, b) => println!("Changing the color to RGB({}, {}, {})", r, g, b),
}
}
}
// Example usage:
let message = Message::ChangeColor(255, 0, 0);
message.call();
代码解读5. 函数
5.1 函数签名
函数签名描述了一个函数的名称、输入参数类型和输出类型。
fn add(x: i32, y: i32) -> i32 {
x + y
}
fn double(arr: &[i32]) -> Vec<i32> {
arr.iter().map(|&x| x * 2).collect()
}
代码解读5.2 函数参数
5.2.1 位置参数
位置参数（positional argument）是按照顺序传入函数的。
fn add(x: i32, y: i32) -> i32 {
x + y
}
fn main() {
assert_eq!(add(1, 2), 3);
}
代码解读5.2.2 默认参数
默认参数（default parameter）是一种定义可选参数的方式，并且允许设置一个默认值。
fn say_hello(name: &str, greeting: &str = "Hello") {
println!("{}, {}!", greeting, name);
}
fn main() {
say_hello("World"); // Output: "Hello, World!"
say_hello("John", "Hola"); // Output: "Hola, John!"
}
代码解读5.2.3 命名参数
标记名称的参数采用名称作为唯一标识符进行信息传递，并减少潜在的理解混淆
fn format_string(s: &str, width: usize, precision: Option<u32>) -> String {
//...
}
format_string("hello, {}", width=20, precision=Some(5));
代码解读5.2.4 不定长参数
不定长参数（variadic arguments）是一个用于接收可变数量的同类型参数的参数集合，在函数定义中通常将它们放置在最后一个参数之后，并通过省略号（‘…’）来表示。
fn average(...) -> f64 {
//...
}
average(1.0, 2.0, 3.0);
代码解读5.3 函数返回值
5.3.1 Unit 类型
函数可能返回 () 类型的数据类型，在这种情况下被称为 unit 类型。它表示函数在执行过程中不会返回任何值。
fn foo() -> () {
println!("foo ran without error");
}
代码解读5.3.2 单一返回值
函数可以返回单一值，也可以用括号括起来。
fn square(x: i32) -> i32 {
x * x
}
fn main() {
let result = square(3);
println!("The result is {}", result); // Output: The result is 9
}
代码解读5.3.3 多返回值
函数可以返回多个值，不过这种方式并不常用。
fn multiply(x: i32, y: i32) -> (i32, i32) {
(x * y, x * y * y)
}
fn main() {
let (result1, result2) = multiply(2, 3);
println!("First result: {}", result1); // Output: First result: 6
println!("Second result: {}", result2); // Output: Second result: 36
}
代码解读5.4 函数指针
在计算机科学中，在C/C++编程语言中存在一种特殊的数据类型称为'在计算机科学中'
fn add(x: i32, y: i32) -> i32 {
x + y
}
type CalculatorFunc = fn(i32, i32) -> i32;
fn apply_calculator(func: CalculatorFunc, arg1: i32, arg2: i32) -> i32 {
func(arg1, arg2)
}
fn main() {
let calc: CalculatorFunc = add;
let result = apply_calculator(calc, 1, 2);
assert_eq!(result, 3);
}
代码解读