Rust 速通从0到1

请注意，本文编写于 392 天前，最后修改于 390 天前，其中某些信息可能已经过时。

Rust代码高亮还没支持，后面会修复这个问题

因为是速通，不能涵盖到语言所有特性，但是保证能写出能跑的代码。详细教程可以看Rust官方出的The Rust Programming Language。

阅读建议

有一定的C/C++基础，了解指针，Struct，OOP的基本概念以及用法。边读边写代码。

包管理

类似于npm, pipenv Rust 用 Cargo 进行包管理，常用指令如下：

新建项目：

cargo new

运行完后，会在项目文件根目录生成一个TOML文件，用过npm的话应该会很熟悉：

[package]
name = "ProjectName"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

运行项目：

cargo new过后会生成src/main.rs，main.rs 是项目的入口文件，里面会初始化自带一个Hello World程序，现在咱尝试运行它

cargo build # 编译

当然你也能用rustc进行古法编译。具体见文档

编译后的binary在./target/debug/ 目录下。

如果不想这么麻烦，cargo还提供一个指令能一键运行:

cargo run   # 直接运行

如果你项目已经写完了准备发布，可以用cargo build --release来优化编译，缺点是比普通build慢。

Debug:

cargo check # 查bug

这个指令因为跳过了编译成可执行文件的步骤，所以比cargo run/build快，debug的时候用很合适

安装依赖：

这里先介绍一个额外的概念crate，crate是 Rust 源代码文件的集合。crate可以是二进制的，也就是一个可执行文件。crate 也可以是一个库（library），其中包含了用于其他程序的代码，不能单独执行（类似 .so, .dll, .h）。

比如现在我们要装一个生成随机数的library crate：，咱先编辑Cargo.toml加一个依赖:

[dependencies]
rand = "0.8.5"

然后重新用cargo build重新编译项目，done！

更新依赖：

更新项目中的所有依赖：

cargo update

为什么用cargo:

对于网上任意一个rust项目，如果你想在本地运行，现在不需要手动装依赖、解决版本冲突...只需要三个命令直接秒了：

git clone example.org/someproject
cd someproject
cargo build

基本语法

咱写个基本的猜数字游戏（Guessing Game）来快速过一遍基本语法，这个游戏用python写出来长这样：

import random

magic_number = random.randint(1, 10)

while True:
    guess = input("Your Guess: ")
    
    if guess < magic_number:
        print("too small")
    elif guess > magic_number:
        print("too large")
    else:
        print("you win")
        break

接下来我们用Rust实现同样的功能，我们先实现获取用户输入：

use std::io;

fn main() {
    println!("Guess the number!");

    println!("Please input your guess.");

    let mut guess = String::new();

    io::stdin()
        .read_line(&mut guess)
        .expect("Failed to read line");

    println!("You guessed: {guess}");
}

相信大家看到如上代码应该不会特别陌生，但有两个地方需要着重说一下：

let mut guess = String::new();  // 定义变量

在Rust中，变量初始情况都是immutable的（类似const），如果想定义变量就得像如上一样加个mut关键字。

io::stdin()
        .read_line(&mut guess)
        .expect("Failed to read line");

这段代码通过stdin获取用户输入，并传递给&mut guess这个reference，没错，Rust里的&也表示Reference。

错误处理：

read_line(&mut guess)的返回值是Result，Result是一个enum = {Ok, Err}，Ok代表指令成功执行，Err表示出错。除此之外Result里还有一个方法expect，如果 Result 的这个实例是 Ok，expect 将获取 Ok 所保存的返回值并将该值返回给您。在本例中，该值是用户输入中的字节数；如果是Err，程序就会crash然后打印你给expect(msg)方法传的信息。

println!

类似于printf，支持如下语法：

let x = 5;
let y = 10;

println!("x = {x} and y + 2 = {}", y + 2);

现在咱的猜谜游戏能接收用户输入了，下一步生成magic number：

let secret_number = rand::thread_rng().gen_range(1..=100);

gen_range 方法接受一个范围表达式（range expression）作为参数，并生成在该范围内的随机数。这里使用的范围表达式类型采用了 start..=end 的形式，包含了下界和上界，因此我们需要指定 1..=100 来请求一个介于 1 和 100 之间的数字。

use rand::Rng;
use std::cmp::Ordering;
use std::io;

fn main() {
    // --snip--

    println!("You guessed: {guess}");

    match guess.cmp(&secret_number) {
        Ordering::Less => println!("Too small!"),
        Ordering::Greater => println!("Too big!"),
        Ordering::Equal => println!("You win!"),
    }
}

这段代码虽然看着陌生，但其实很好理解。guess.cmp(&secret_number)比较guess和secret_number并返回enum Ordering。match 类似其他语言的switch，block内讨论三个不同case。

现在感觉都没毛病了，但是如果run代码的话会报错。

22 |     match guess.cmp(&secret_number) {
   |                 --- ^^^^^^^^^^^^^^ expected struct `String`, found integer
   |                 |
   |                 arguments to this function are incorrect

从如上报错信息可以看出是数据类型对不上的原因。Rust是一个强类型语言，guess是String，而secret_number是i32既是int32，所以不能放在一起比大小，正确做法是用parse给guess进行类型转换

let guess: u32 = guess.trim().parse().expect("Please type a number!");

字符串上的 parse 方法能将一个字符串转换为另一种类型。在这里，我们使用它将一个字符串转换为一个数字类型（因为let guess: u32这里指定了类型）。

现在一个基本的猜数字游戏已经做好了，为了能让玩家能够多次尝试，我们还得写个for循环

    // --snip--

    println!("The secret number is: {secret_number}");

    loop {
        println!("Please input your guess.");

        // --snip--

        match guess.cmp(&secret_number) {
            Ordering::Less => println!("Too small!"),
            Ordering::Greater => println!("Too big!"),
            Ordering::Equal => println!("You win!"),
        }
    }
}

到这里程序就写完了！接下来开始优化程序，比如处理异常输入：

        // --snip--

        io::stdin()
            .read_line(&mut guess)
            .expect("Failed to read line");

        let guess: u32 = match guess.trim().parse() {
            Ok(num) => num,
            Err(_) => continue,
        };

        println!("You guessed: {guess}");

        // --snip--

其中Ok(num)/Err(_)类似于解包操作，获取enum里面带的message，Err(_)的_和Python一样，代表这个解包的数据不重要。

最终程序

use rand::Rng;
use std::cmp::Ordering;
use std::io;

fn main() {
    println!("Guess the number!");

    let secret_number = rand::thread_rng().gen_range(1..=100);

    loop {
        println!("Please input your guess.");

        let mut guess = String::new();

        io::stdin()
            .read_line(&mut guess)
            .expect("Failed to read line");

        let guess: u32 = match guess.trim().parse() {
            Ok(num) => num,
            Err(_) => continue,
        };

        println!("You guessed: {guess}");

        match guess.cmp(&secret_number) {
            Ordering::Less => println!("Too small!"),
            Ordering::Greater => println!("Too big!"),
            Ordering::Equal => {
                println!("You win!");
                break;
            }
        }
    }
}

Ownership

说到Rust，大家想到的第一个词应该改是safety，但为啥它很安全呢，原因就是因为它Ownership概念引入，先来看定义：

Ownership is a set of rules that govern how a Rust program manages memory
Ownership 是一系列用于Rust做内存管理的规则

在C里面，我们用malloc/calloc/realloc等命令声明内存，当内存不在被使用时，我们需要手动free掉。如果不free就会内存溢出。同样在管理heap上的数据结构（比如实现一个linklist)，稍有不注意就会segfault... 为了解决这个问题，Rust引入了Ownership这个概念，让内存错误不再是个问题。

References and Borrowing

先来看代码：

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);

    println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

没错，这段代码和C/C++很像，用&s1表示变量s1的reference。在Rust里，每当你给方法传递参数，参数就属于（owned by）这个方法了，当方法运行结束后就会自动把这个参数drop掉。所以如果你这么写的话：

let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(s1);

println!("{s1}");

fn calculate_length(s: String) {
    // do something
}

程序就会报错，为什么呢，因为let len = calculate_length(s1)已经把s1的ownership给了calculate_length这个方法，当这个方法运行结束后，s1就会被自动回收，这个时候如果再println!("{s1}")就会找不到s1这个变量。

让我们回到最开始的代码，如果我们用reference的话calculate_length(&s1);就会没上述问题，因为Rust管这叫借（borrow），当方法去借一个变量的话就不会take ownership了。

是reference，但又不完全是：

不同于C，Rust里：传入方法的reference在普通情况下不能被方法修改，比如如下代码就会报错：

fn main() {
    let s = String::from("hello");

    change(&s);
}

fn change(some_string: &String) {
    some_string.push_str(", world");
}

为什么说是在普通情况下呢，因为就像变量能被定义为mut，reference也可以被定义为可变的：

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");

    change(&mut s);
}

fn change(some_string: &mut String) {
    some_string.push_str(", world");
}

在上述代码中，我们除了把s变成mut，还把reference也变成&mut s。这个时候传入change就能更改s的值了。

mut reference的限制：

对于mutable reference，Rust对其有一个限制：对于一个变量，如果你已经有一个关于它的mut reference，在同一个作用域（scope）里就不能再有第二个了，比如如下代码就违反了这个限制，代码会报错：

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;

println!("{}, {}", r1, r2);

Rust之所以这么设计是为了能在如下情况避免Data Race：

两个或更多指针同时访问相同的数据
至少有一个指针正在用于写入数据。
没有使用机制来同步对数据的访问。

上文说到： 同一个scope里就不能再有第二个了...，那如果不在同一个scope还能能定义多个mut reference吗，答案是肯定的：

// 不会报错
let mut s = String::from("hello");

{
    let r1 = &mut s;
} // 在这里，r1的作用域结束了，因此我们可以创建一个新的引用。

let r2 = &mut s;

Rust同样也不允许统一变量的mut reference和immut reference同时出现，比如如下代码会报错：

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &s; // OK
let r2 = &s; // OK
let r3 = &mut s; // 寄！

println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

如果把上述代码改一下，代码还会报错吗？

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &s; 
let r2 = &s; 
println!("{} and {}", r1, r2);

let r3 = &mut s; 
println!("{}", r3);

答案是不会的！为啥呢，因为编译器发现在执行完println!("{} and {}", r1, r2);后r1, r2就再没出现过，所以它就能足够聪明得把r1, r2 在这行过后drop掉。最后跑到let r3这行的时候r1,r2已经影响不到r3啦。

ownership转移：

当方法返回的变量最后return出去的话，这个变量的ownership就会转移到call它的地方。

fn no_dangle() -> String {
    let s = String::from("hello");

    s
}

fn main() {
    let result = no_dangle();
    println!("{}", result);
}

Slice

现在你准备写一个功能：给一个string，需要返回这个string的第一个单词，你可以这么写：

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s); // word = 5
}

fn first_word(s: &String) -> usize {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return i;
        }
    }

    s.len()
}

看着没毛病，但有个小问题，如果你后面对s进行了修改，之前定义的word就会失去意义

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s); 

    s.clear(); // 清空s
    
    // 靠，word还是等于5
}

如果是写小项目的话这样的问题还很容易发现，但如果是大项目的话就说不准了。这个时候用Rust的Slice结构就能很好的解决这个问题：

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s);

    println!("the first word is: {}", word);
}

fn first_word(s: &String) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

这么写的话word就会从一个赋值过后永远不会变的量变成了reference，也就是说能实时根据s变化而变化了。现在问题又来了，如果在main最后call s.clear()会怎样？

fn main() {
    let mut s = String::from("hello world");

    let word = first_word(&s);
    
    word.clear();
    
    println!("the first word is: {}", word);
}

答案是会报错，因为clear()这个方法的实现需要用到word的mut reference，然而之前已经定义了word这个immutable reference。

其他类型的Slice：

let a = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice = &a[1..3];

assert_eq!(slice, &[2, 3]);

Struct

像很多语言，Rust也有定义Struct

struct User {
    active: bool,
    username: String,
    email: String,
    sign_in_count: u64,
}

fn main() {
    // 必须是mutable，Rust不允许只指定部分元素为mutable
    let mut user1 = User {
        active: true,
        username: String::from("someusername123"),
        email: String::from("[email protected]"),
        sign_in_count: 1,
    };
}

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
    User {
        active: true,
        username: username,
        email: email,
        sign_in_count: 1,
    }
}

在build_user里面，因为 username, email 的parameter name和field name一样，所以方法可以简写成：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
    User {
        active: true,
        username,
        email,
        sign_in_count: 1,
    }
}

类似JavaScript, Rust也支持解包操作，比如如上代码你已经定义了一个user1，如果还想定义user2且user2只有email字段和user1.email不一样的话就能简写成：

fn main() {
    // --snip--

    let user2 = User {
        email: String::from("[email protected]"),
        ..user1
    };
}

Tuple Struct:

比如你想用C实现对一个Pixel的定义，可能会这么写：

struct Color {
    int32_t r;
    int32_t g;
    int32_t b;
};

但其实r,g,b压根儿没必要定义出来，因为大伙都知道Pixel是由这个三个元素组成的，这个时候你就能用到Rust的Tuple Struct来简写这样的数据结构了：

struct Color(i32, i32, i32);
struct Point(i32, i32, i32);

fn main() {
    let black = Color(0, 0, 0);
    let origin = Point(0, 0, 0);
}

Unit-Like Struct

struct AlwaysEqual;

fn main() {
    let subject = AlwaysEqual;
}

Debug:

如果我们想打印struct用于Debug的话（不只是struct能用），Rust提供了一个接口能很容易的实现：

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle {
        width: 30,
        height: 50,
    };

    println!("rect1 is {:?}", rect1);
}

你也能用一个更吊的macro：dgb!()，和print不同，dgb能获取调试内容的ownership进而支持用户能写出width: dbg!(30 * scale)的代码，区别2是dgb的调试信息会写到stderr而不是stdout。

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

fn main() {
    let scale = 2;
    let rect1 = Rectangle {
        width: dbg!(30 * scale),
        height: 50,
    };

    dbg!(&rect1);
}

Method：

和很多新语言一样，Rust支持给Struct定义方法（Method），这里我们先回顾一下方法和函数的区别

方法 (Method):
"方法"通常用于面向对象编程（例如Java、C++等），它是与特定对象或类相关联的功能。方法是一种操作，可以在对象上执行，通常可以访问该对象的属性或状态，并且通常与对象的行为相关。
方法是面向对象编程中的一部分，它们是类的成员，因此它们可以通过类的实例来调用。
函数 (Function):
"函数"是一段独立的可执行代码，通常不与特定对象或类相关联。函数可以独立存在，接受输入参数（如果需要）并返回一个结果。函数可以在程序中的任何地方被调用，而不需要依赖于特定的对象。
函数是通用的编程概念，可以在不同编程范式（如面向对象、过程式编程等）中使用。

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle {
        width: 30,
        height: 50,
    };

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        rect1.area()
    );
}

看到这儿，大家可能会对self.width * self.height产生疑惑，为啥指针不用->而是直接.呢。得益于Rust的automatic referencing and dereferencing 特性，编译器能自动处理转换reference符号。也就是说如下两行是一样的：

p1.distance(&p2);
(&p1).distance(&p2);

关联函数（Associated Function）:

有些时候方法的实现并不需要self参数（既 square(&self, size: u32)）类似静态方法，你能这么写：

impl Rectangle {
    fn square(size: u32) -> Self {
        Self {
            width: size,
            height: size,
        }
    }
}

impl其他用法：

如下写法都是OK的：

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

impl Rectangle {
    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }

    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

Enum

Rust的枚举类型写法是这样的：

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

struct IpAddr {
    kind: IpAddrKind,
    address: String,
}

let home = IpAddr {
    kind: IpAddrKind::V4,
    address: String::from("127.0.0.1"),
};

let loopback = IpAddr {
    kind: IpAddrKind::V6,
    address: String::from("::1"),
};

当然如上是常规写法，Rust的enum支持你给里面的元素定义不同的数据类型以及赋值：

enum Message {
    Quit,                        // 普通enum元素
    Move { x: i32, y: i32 },    // name filed
    Write(String),                // 字符串类型
    ChangeColor(i32, i32, i32),    // 三个类型
}

fn main() {
    let quit_message = Message::Quit;
    let move_message = Message::Move { x: 10, y: 20 };
    let write_message = Message::Write(String::from("Hello, Rust!"));
    let color_message = Message::ChangeColor(255, 0, 0);
}

除此之外你还可以将各种类型的数据放入枚举的变体中，例如字符串、数值类型或结构体。甚至可以包含另一个枚举！

可选参数Option：

在Rust标准库中，Optional定义为一个枚举类型：

enum Option<T> {
    None,
    Some(T),
}

类似于C++的泛型，下一篇文章会介绍

使用方法和其他enum一样：

let some_number = Some(5);
let some_char = Some('e');

let absent_number: Option<i32> = None;

这么定义有什么用呢，比如你现在这么写代码就会报错：

let x: i8 = 5;
let y: Option<i8> = Some(5);

let sum = x + y;

原因是因为y之前被定义为一个Optional的数据，如果在let sum = x + y; 之前y没被定义那不是寄了，所以Rust如此考量是为了安全。

Enum和Match一起使用：

fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        None => None,
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

let five = Some(5);
let six = plus_one(five);
let none = plus_one(None);

上述写法是完全OK的但是不优雅，因为None => None完全没必要写出来，Optional这个enum只有两个field还好，如果enum贼大，但你又只想math其中一小部分就难搞了。所以Rust提供了 Catch-all 的语法（其实就是default）：

let dice_roll = 9;
match dice_roll {
    3 => add_fancy_hat(),
    7 => remove_fancy_hat(),
    _ => reroll(),    // Catch All
}

fn add_fancy_hat() {}
fn remove_fancy_hat() {}
fn reroll() {}

在Rust里面，Match必须讨论到所有可能性，如下代码就是错的：

    fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
        match x {
            Some(i) => Some(i + 1),
            // 没讨论是None的情况
        }
    }

if let:

这个操作符能简化Match的写法，比如如下代码：

let config_max = Some(3u8);
match config_max {
    Some(max) => println!("The maximum is configured to be {}", max),
    _ => (),

能简写成：

let config_max = Some(3u8);
if let Some(max) = config_max {
    println!("The maximum is configured to be {}", max);
}

看到这里可能有人会问为啥不直接if Some(max) == config_max，这里千万要注意Some(max)并不是一个变量，而是解包操作！

结语

相信大家看到这里已经对Rust有了一个初步的理解。然而除了这些内容咱还有很多知识点没能探讨到，比如：泛型，多线程，智能指针，错误处理等等...这些内容我会放在未来的“Rust后日谈”文章探讨，敬请期待！

CC BY-ND

This license enables reusers to copy and distribute the material in any medium or format in unadapted form only, and only so long as attribution is given to the creator. The license allows for commercial use.

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