Rust学习笔记之基础概念快速入门

去年就学习过一段时间的Rust，除了略微“诡异”的所有权规则，整个语言的工具链体验还是很好的，起码Cargo真的很舒服。

聊聊Rust

Rust is technology from the past came to save the future from itself.
——Graydon Hoare

Rust 和 C++ 是同一系列的，经常被拿来一同比较的 Go 其实对标不是 C++，而是 Python 与 Java。我对 Rust 的看法就是没有历史包袱，现代化的 C++，由于 go 设计有 gc （垃圾回收），因此 go 可以说是一个更接地气的 Python 或者 Java。

Rust 的历史可以追溯到 2006 年，由 Graydon Hoare 开发，目前主要由 Mozilla 主导。第一个稳定版本 1.0 是在2015年发布的。据说，1.0 之前的那些版本，各种特性很容易在下一个版本就得不到兼容，1.0 之后才改变了这种轻易翻盘的情况，各种特性开始开始稳定下来。

Mozilla 主导 Rust 主要寄希望能解决 C++ 的内存安全问题，因为火狐浏览器的引擎 gecko 就是用 C++ 编写的。C++ 年代久远，对并发的支持也没有提供更好抽象，非常容易误用，这也是 Rust 试图解决的问题之一。

Rust 借鉴了很多语言，比如Cyclone（一种安全的C语言方言）的基于区域的内存管理模型；C++ 的RAII 原理；Haskell 的类型系统、错误处理类型、typeclasses等等。Rust 有非常小的 runtime，不需要垃圾回收，默认情况下是在栈上进行分类内存，而不是堆上。Rust 的编译器 rustc，一开始使用 Ocaml （一种函数式语言）编写，后来在2011年 Rust 实现了自举。

安装、更新和卸载

在Mac和Linux上安装相对而言会简单很多，只需要在终端输入以下命令：

curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

会自动配置好环境变量，重启一下终端，或者输入：

source $HOME/.cargo/env

更新的命令：

rustup update

卸载：

rustup self uninstall

检验是否成功安装：

rustc --version

Hello World

为了体现出 Rust 的特性，写一个稍微富含 Rust 风格的 Hello World。

// great.rs
use std::env;

fn main() {
  let name = env::args().skip(1).next();
  match name {
    Some(n) => println!("Hello, {}", n),
    None => panic!("Did not receive any name?"),
  }
}

现在使用 rustc 编译项目，并运行一下：

➜ rust_projects rustc greet.rs
➜ rust_projects ./greet Guyu2019
Hello, Guyu2019
➜ rust_projects ./greet         
thread 'main' panicked at 'Did not receive any name?', greet.rs:8:13
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace.

第二行，从 std Crate（库被称为 Crate） 中引入了 env 模块。第 4 行就是大家熟悉的 main 程序入口。

第一个命令行参数（下标为0），是程序本身的名字。第2个参数（下标为1）才是第一个输入参数。skip(1) 的意思就是跳过一个元素，它返回一个迭代器。由于迭代器是懒加载的逻辑，没有进行预计算，所以需要显式使用 next() 去获取元素。

next() 返回的也不是单纯的字符串，而是一个 Option 类型。Option 类型避免使用 null，用 None 来表示没有值。

第六行的 match 类似我们熟悉的 if ，也比较像 switch。如果返回 next() 返回了值，则调用 println!()。如果没有值，则到 None 的 panic!。最后的 ! 表明这是一个宏（macro），而不是我们通常理解的函数。

println! 宏接受一个字符串，还可以带有占位的 {} 语法。我们通常称这种字符串为格式化字符串（fotmat strings）。如果只是替换成原始的内置简单类型，可以使用 {}，其它的类型通常会使用 {:?}。

{} 的行为主要来自 Display trait，{:?} 则来自于 Debug trait。顾名思义，{} 最主要的功能是显示，{:?} 则多了调试的含义。对于内置的简单类型，Debug 显得就不那么重要了。如果是自己定义的类型，或者比较复杂的类型，可以使用 #[derive(Debug)] 去定义调试的行为，当然这是后话。

内置的原始类型

Rust 内建的原始类型有这些：

• bool：布尔值，true 和 false；
• char：单个字符
• 整数类型：有一点特殊，Rust 可以支持 128 bit 的整数。

长度	有符号	无符号
8-bit	i8	u8
16-bit	i16	u16
32-bit	i32	u32
64-bit	i64	u64
128-bit	i128	u128
arch	isize	usize

其中，isize和usize依赖运行程序的计算机架构：64位的机器上是64位（等价与i64），32位上是32位（等价于i32），一般可以用来表示指针。如果拿不定主意，默认的i32就很好，通常是最快的。

• f32：基于IEEE 754标准的32位的浮点数类型；
• f64：64位浮点数类型；
• [T; N]：固定长度的数组；
• [T]：可变尺寸的 T 类型数组（类似 C++ 的vector）；
• str：字符串切片，主要用于引用，比如&str。
• (T, U, ..)：无穷序列，T 和 U 可以是不同的类型；
• f(i32) -> i32：函数类型。函数在 Rust 中也是一等公民，函数可以像变量一样使用。这里仅仅只是举例，f(i32) -> i32 表示这个函数接受一个 i32 类型的值，然后函数返回 i32，函数类型根据函数参数和返回值发生变化。

定义变量

Rust中使用 let 进行定义变量。和C或者C++不同，变量默认是不可变的。这个主要是为了并发和所有权上进行考虑的。你可以理解成 let 就是 C++ 里的 const。如果要声明可变的变量，应该在变量名前面加上mut。

// variables.rs

fn main() {
  let target = "world";
  let mut greeting = "Hello";
  println!("{}, {}", greeting, target);
  greeting = "How are you doing";
  target = "mate";
  println!("{}, {}", greeting, target);
}

编译运行这段代码，会发现报错了。编译器告诉你，target 不能改，要改请加上 mut。嗯，非常友好。

函数与闭包

函数类型没什么大的意外。不过这里提一句，编写函数尽量编写纯函数，有的语言管纯函数叫函数，其它的叫方法。**纯函数的意思简单来讲就是不修改全局变量，函数内部需要的外部资源从参数中获取，然后不要直接修改外部资源，而是返回给外部。**这样的函数有明显的高内聚，低耦合的特点，比较容易进行调试和并行。

// functions.rs

fn add(a: u64, b: u64) -> u64 {
  a + b
}

fn main() {
  let a: u64 = 17;
  let b = 3;

  let result = add(a, b);
  println!("Result {}", result);
}

// Result 20

没有什么意外，和 C++ 有点差别的是，最后会自动返回最后 a + b 的结果，不需要加上 return。而且，Rust 的函数借鉴于函数式编程，就算没有返回值，也会默认返回 () 类型，可以把它当作 void。

// function_mut.rs

fn increate_by(mut val: u32, how_much: u32) {
  val += how_much;
  println!("You made {} points", val);
}

fn main() {
  let score = 2048;
  increate_by(score, 30);

  println!("{}", score);
}
// You made 2078 points
// 2048

闭包相比与函数拥有环境的信息，它可以没有名字，所以有时候也被叫做匿名函数。最简单的闭包形式是这样的：

let my_closure = || ();

这样就定义了一个没有参数，然后什么也没干的函数。可以使用 my_closure() 去调用，这点上和函数没什么差别。

// closures.rs

fn main() {
  let doubler = |x| x * 2;
  let value = 5;
  let twice = doubler(value);
  println!("{} doubled is {}", value, twice);

  let big_closure = |b, c| {
    let z = b + c;
    z * twice
  };

  let some_number = big_closure(1, 2);
  println!("Rusult from closure: {}", some_number);

}
// 5 doubled is 10
// Rusult from closure: 30

闭包有很多用法，最典型就是作为高阶函数的参数。高阶函数就是以另一个函数或闭包作为参数的函数。比如，标准库的 spawn 接受一个闭包，这个闭包要在另外一个线程里运行；还有比如作为 filter 的筛选函数。

字符串

字符串非常常用，通常在 Rust 中用 &str 或者 String。

// strings.rs

fn main() {
  let question = "How are you?"; // a &str type
  let person: String = "Bob".to_string();

  let namaste = String::from("🙏");

  println!("{}: {} {}", namaste, question, person);
}
// 🙏：How are you? Bob

条件分支与match表达式

if {} else {} 结构和类C语言一样。不过，在 Rust 中，if 是表达式而不是语句。一般而言，表达式会返回值，而语句不会。因此，if 可能会返回空的 () 单元值，也可能会返回实际的值。

// if_assign.rs

fn main() {
  let result = if 1 == 2 {
    "Wait, what ?"
  } else {
    "Rust makes sense"
  };

  println!("You know what ? {}.", result);
}
// You know what ? Rust makes sense.

如果把 else 分支去掉，则编译器会报错：

没有 else 分支，如果 if 条件为 false，那么就会返回 ()；但是如果 if 为 true，就返回 &str。Rust 不允许一个变量存储多个类型。所以，if 和 else 都要返回相同的类型。

如果在字符串后面加上分号 ;，则字符串会被当作语句，然后返回 ()。注意要把 {}换成{:?}。

// if_else_no_value.rs

fn main() {
  let result = if 1 == 2 {
    "Wait, what ?";
  } else {
    "Rust makes sense";
  };

  println!("You know what ? {:?}.", result);
}
// You know what ? ().

match 很类似 C 语言中的 switch 语句，也不难理解。

// match_expression.rs

fn req_status() -> u32 {
  404
}

fn main() {
  let status = req_status();
  match status {
    404 => println!("Not Found"),
    200 => println!("Success"),
    other => {
      println!("Request failed with code: {}", other);
    }
  }
}
// Not Found

循环

Rust 有三种结构的循环：loop、while 和 for，同样也使用 continue 和 break 去控制循环流程。
loop 等价于 C++ 的 while (true) 无限循环：

// loops.rs

fn main() {
  let mut x = 1024;
  loop {
    if x < 0 {
      break;
    }
    println!("{} more runs to go", x);
    x -= 1;
  }
}
// ...
// 2 more runs to go
// 1 more runs to go
// 0 more runs to go

在嵌套循环的场景下，可以用标签指定要打破到哪一层次：

// loop_labels.rs

fn silly_sub(a: i32, b: i32) -> i32 {
  let mut result = 0;
  'increment: loop {
    if result == a {
      let mut dec = b;
      'decrement: loop {
        if dec == 0 {
          break 'increment;
        } else {
          result -= 1;
          dec -= 1;
        }
      }
    } else {
      result += 1;
    }
  }
  result
}

fn main() {
  let a = 10;
  let b = 4;
  let result = silly_sub(a, b);
  println!("{} minus {} is {}", a, b, result);
}
// 10 minus 4 is 6

while 循环就没什么意外了：

// while.rs

fn main() {
  let mut x = 1000;
  while x > 0 {
    println!("{} more runs to go", x);
    x -= 1;
  }
}
// ...
// 3 more runs to go
// 2 more runs to go
// 1 more runs to go

Rust 也提供了 for 循环，是一个语法糖，它涉及一个迭代器的概念，很类似其它语言里的 for-loop 循环。

// for_loops.rs

fn main() {
  print!("Normal ranges: ");
  for i in 0..10 {
    print!("{},", i);
  }

  println!(); // a new line
  print!("Inclusive ranges: ");
  for i in 0..=10 {
    print!("{}, ", i);
  }
}
// Normal ranges: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,
// Inclusive ranges: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,

注意一下，0..10 是不包括10的，而0..=10 则包括了10。

用户自定义类型

struct

最简单的用法，单元struct（unit struct）：

// unit_struct.rs

struct Dummy;

fn main() {
  let value = Dummy;
}
// Red value: 255
// Green value: 255
// Blue value: 255
//
// R: 255, G: 165, B:0(orange)

在这里，Dummy 是一个0大小的值，运行的时候不占内存。

另外一种 struct，叫元组struct（tuple struct），它会绑定值。比如可以定义一个 struct 来表示 RGB：

// tuple_struct.rs

struct Color(u8, u8, u8);

fn main() {
  let white = Color(255, 255, 255);
  // You can pull them out by index
  let red = white.0;
  let green = white.1;
  let blue = white.2;
  
  println!("Red value: {}", red);
  println!("Green value: {}", green);
  println!("Blue value: {}\n", blue);

  let orange = Color(255, 165, 0);
  // You can also destructure the fields directly
  let Color(r, g, b) = orange;
  println!("R: {}, G: {}, B:{}(orange)", r, g, b);

  // Can also ignore fields while destructuring
  let Color(r, _, b) = orange;
}

Rust 也支持 C 语言那种结构体：

// structs.rs

struct Player {
  name: String,
  iq: u8,
  friends: u8,
  score: u16
}

fn bump_player_score(mut player: Player, score: u16) {
  player.score += score;
  println!("Updated player stats:");
  println!("Name: {}", player.name);
  println!("IQ: {}", player.iq);
  println!("friends: {}", player.friends);
  println!("Score: {}", player.score);
}

fn main() {
  let name = "Alice".to_string();
  let player = Player {
    name,
    iq: 171,
    friends: 134,
    score: 1129
  };

  bump_player_score(player, 120);
}
// Updated player stats:
// Name: Alice
// IQ: 171
// friends: 134
// Score: 1249

enum

// enums.rs

#[derive(Debug)]
enum Direction {
  N,
  E,
  S,
  W
}

enum PlayerAction {
  Move {
    direction: Direction,
    speed: u8
  },
  Wait,
  Attack(Direction)
}

fn main() {
  let simulated_player_action = PlayerAction::Move {
    direction: Direction::N,
    speed: 2,
  };

  match simulated_player_action {
    PlayerAction::Wait => println!("Player wants to wait"),
    PlayerAction::Move { direction, speed } => {
      println!("Player wants to move in direction {:?} with speed {}", direction, speed)
    },
    PlayerAction::Attack(direction) => {
      println!("Player wants to attack direction {:?}", direction)
    }
  }
}

#[derive(Debug)] 这个是必要的，这样才会允许使用 {:?} 打印实例。前面已经提到过了，{:?} 对应 Debug 的 trait。
如果没有加 #[derive(Debug)]，则会报错。

impl

模块、import、use

Rust 用 module 来组织代码。module 是一个复杂的主题，这里先简要记录一下：

• 每一个 Rust 程序都需要一个根模块；一般就是 main.rs，如果是库的话，一般是 lib.rs。
• 模块可以其它模块中声明，也可以组织为文件和目录；
• 为了让编译器知道我们的自己模块，就要用 mod 定义它；
• 要使用模块内的任何内容，都需要使用 use，以及模块名称；
• 模块中的定义默认是私有的，需要使用 pub 关键字公开给使用者；

集合

Arrays

// arrays.rs

fn main() {
  let number: [u8; 10] = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
  let floats = [0.1f64, 0.2, 0.3];

  println!("Number: {}", number[4]);
  println!("Float: {}", floats[2]);
}
// Number: 5
// Float: 0.3

0.1f64 通过后缀指定了数组的类型，这也是一种方式。

Tuples

元组（Tuples）和数组的不同点在于它的元素类型可以是不一样的。它也经常被函数用来返回多个值。

// tuples.rs

fn main() {
  let num_and_str: (u8, &str) = (40, "Have a good day!");
  println!("{:?}", num_and_str);
  let (num, string) = num_and_str;
  println!("From tuple: Number: {}, String: {}", num, string);
}
// (40, "Have a good day!")
// From tuple: Number: 40, String: Have a good day!

Vectors

向量很像数组，不过它的长度不需要预先知道，可以按需增长。可以通过 Vec::new 构造函数或者 vec![] 宏来创建向量。

// vec.rs

fn main() {
  let mut numbers_vec: Vec<u8> = Vec::new();
  numbers_vec.push(1);
  numbers_vec.push(2);

  let mut vec_with_macro = vec![1];
  vec_with_macro.push(2);
  // value ignored with '_'
  let _ = vec_with_macro.pop();
  let message = if numbers_vec == vec_with_macro {
    "They are equal"
  } else {
    "Nah! They look different to me"
  };

  println!("{} {:?}{:?}", message, numbers_vec, vec_with_macro);
}
// Nah! They look different to me [1, 2][1]

Hashmaps

Rust 也提供了映射，可以用来存储键-值数据。Hashmap 在 std::collections 模块中被引入，可以用 HashMap::new 构造函数来创建。

// hashmaps.rs

use std::collections::HashMap;

fn main() {
  let mut fruits = HashMap::new();
  fruits.insert("apple", 3);
  fruits.insert("mango", 6);
  fruits.insert("orange", 2);
  fruits.insert("avocado", 7);

  for (k, v) in &fruits {
    println!("I got {} {}", v, k);
  }

  fruits.remove("orange");
  let old_avocado = fruits["avocado"];
  fruits.insert("avocado", old_avocado + 5);
  println!("\nI now have {} avocados", fruits["avocado"]);
}
// I got 6 mango
// I got 7 avocado
// I got 2 orange
// I got 3 apple
//
// I now have 12 avocados

在上面的例子中，先创建了一个新的 Hashmap，然后插入元素。之后在用类似 for-loop的语法进行迭代器迭代。由于这里只是读取 fruits，不作更改，因此使用 &fruits。Hash 算法对 HashMap 类型的键进行散列处理，基于的是 Robin 开放寻址方案，但是可以自己根据用例进行自定义。

Slices

切片（slice）是一种从集合中获取视图的一种通用方式，使用 &[T]表示。。大多数情况下用于读取操作。切片基本指向一个连续范围的指针或者引用。切片是指向堆栈或堆中某个地方的数据的胖（fat）指针。通过胖指针，可以获取指向了多少个数据，以及指向数据的指针。

// slices.rs

fn main() {
  let mut numbers: [u8; 4] = [1, 2, 3, 4];
  {
    let all: &[u8] = &numbers[..];
    println!("All of them: {:?}", all);
  }
  {
    let first_two: &mut [u8] = &mut numbers[0..2];
    first_two[0] = 100;
    first_two[1] = 99;
  }

  println!("Look ma! I can modify through slices: {:?}", numbers);
}
// All of them: [1, 2, 3, 4]
// Look ma! I can modify through slices: [100, 99, 3, 4]

迭代器

在 Rust 中，迭代器可以是任意类型的，只要实现了 Iterator Trait。大多数类型都可以通过调用 iter() 或者 into_iter() 转换成迭代器。

总结

上面这些已经覆盖了基础的概念，有很多概念还需要更深入地了解，比如迭代器、impl、标准库之类的。这些是后话啦～