【跟小嘉学 Rust 编程】三、Rust 的基本程序概念

系列文章目录

【跟小嘉学 Rust 编程】一、Rust 编程基础
【跟小嘉学 Rust 编程】二、Rust 包管理工具使用
【跟小嘉学 Rust 编程】三、Rust 的基本程序概念

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前言

本章节涵盖几乎所有编程语言会出现的概念以及他们在 Rust之中的工作原理，这不是 Rust 独有的，但我们将在 Rust 上下文中讨论他们，并且解释这些概念。详细来讲就是变量、基本类型、函数、注释和控制流。

主要教材参考 《The Rust Programming Language》

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一、变量以及可变性

1.1、变量声明语法

let [mut] variableName[:type] [= initialValue]

• 变量必须先声明在使用
• rust 没有默认构造函数，变量没有默认值；
• variableName 以字母(unicode)、下划线、数字组成，但是必须以字母(unicode)、下划线开头；
• 未声明类型的为自动类型推导，但不意味着动态类型。

1.2、不可变变量

默认情况下，变量是不可变的，这是 Rust 提供的用于安全性和简单并发性方式编写代码。

例子：不可变变量

fn main() {
    let x = 5;
    println!("The value of x is: {x}");
    x = 6;
    println!("The value of x is: {x}");
}

错误提示

raojiamin@192 hello % cargo build
   Compiling hello v0.1.0 (/Users/raojiamin/Desktop/code/rust_code/hello)
error[E0384]: cannot assign twice to immutable variable `x`
 --> src/main.rs:4:5
  |
2 |     let x = 5;
  |         -
  |         |
  |         first assignment to `x`
  |         help: consider making this binding mutable: `mut x`
3 |     println!("The value of x is: {x}");
4 |     x = 6;
  |     ^^^^^ cannot assign twice to immutable variable

For more information about this error, try `rustc --explain E0384`.
error: could not compile `hello` (bin "hello") due to previous error

初始化本身可以依赖变量，可能多次调用它所在函数可能得到不同的值；

1.3、未使用变量警告

如果你声明了变量但是并未使用，编译器则会给你一个变量未使用的警告。

warning: unused variable: `x`
 --> src/main.rs:2:9
  |
2 |     let x = 5;
  |         ^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore: `_x`
  |
  = note: `#[warn(unused_variables)]` on by default

warning: `hello` (bin "hello") generated 1 warning (run `cargo fix --bin "hello"` to apply 1 suggestion)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.89s

1.4、使用 let mut 可变变量

fn main() {
    let mut y = 100; 
  
    // help: maybe it is overwritten before being read?rustc(unused_assignments)  
    // 如果在第二次赋值前没有读取该变量会有上述警告
    println!("the y value is {}", y);
  
    y = 100;
   
    println!("the y value is {}", y);
}

1.5、使用 const 声明常量

初始化过程完全静态（编译器时期已知其值），且不会改变。

fn main() {

    const X:i32 = 100;
    // warning: constant is never used: `x` 警告：常量必须被使用
    // warning: constant `x` should have an upper case name 常量必须大写
    // error: missing type for `const` item 错误：常量必须声明类型

    println!("the X value is {}", X);   
}

const 常量一定不能 使用 mut 修饰。

1.6、Shadowing

该特性可以反复声明不可变对象，她可以重新更改不可变变量的数据类型，该语法特性一般用于中间变量。

fn main() {
    let x = 5;
    let x = x + 1;
    let x = x * 2;
    println!("The value of x is: {}", x);
}

该特性不允许使用在可变对象上。

fn main() {
    let mut spaces = "   ";
    spaces = spaces.len();
}

错误提示

cargo build
   Compiling hello v0.1.0 (/Users/raojiamin/Desktop/code/rust_code/hello)
error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:3:14
  |
2 |     let mut spaces = "   ";
  |                      ----- expected due to this value
3 |     spaces = spaces.len();
  |              ^^^^^^^^^^^^ expected `&str`, found `usize`
  |
help: try removing the method call
  |
3 -     spaces = spaces.len();
3 +     spaces = spaces;
  |

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `hello` (bin "hello") due to previous error

1.7、暂时不使用的变量

fn main() {
    let _ = "hello";
    let _num = 100;       // 表示可暂时不使用该变量
    println!("{}", _);    // 编译错误！“_” 的含义是忽略该变量绑定，之后不会再用了
}

以下划线开头的变量名，如 ”_num“， 表示可以暂时不使用该变量；

1.8、全局常量和全局静态变量

在Rust 之中没有全局变量的概念，但是可以使用全局静态变量和全局常量。

1.8.1、全局常量

• 全局常量必须在声明的时候初始化；
• 全局常量名必须大写
• 全局常量必须在声明的时候显示声明类型；

1.8.2、全局常量

• 静态变量必须在声明时初始化；
• 静态变量必须编译时可确定的常量, 变量名必须大写;
• mut 修饰的静态变量，使用的时候必须 unsafe 函数或者 unsafe 代码块；
• 静态变量在声明时候必须指定静态的变量的数据类型；

二、数据类型

2.1、标量类型(Scalar Types)

标量类型表示单个值。Rust 中有四种主要的标量类型：整型、浮点型、布尔类型、字符。

2.1.1、整型(Integer Types)

2.1.1.1、几种整型类型

整型数据默认是 i32 类型， isize 或 usize 在 32 位机器上就是 4 个字节，在 64 位机器上就是 8 个字节。

Length	Signed	Unsigned｜
8-bit	i8	u8
16-bit	i16	u16
32-bit	i32	u32
64-bit	i64	u64
128-bit	i128	u128
arch	isize	usize

每一个变量都可以是有符号或无符号，并且具有明确的大小，有符号数使用二进制补码来表示存储。(早期8086 cpu只支持加法指令)

• 原码：最高位为符号位，0代表正数，1代表负数，其余各位为数值本身的绝对值
• 反码：
  • 正数：反码与原码相同，这是规定；
  • 负数：符号位为1不变，其余位对原码取反；
• 补码：
  • 正数：补码与原码相同
  • 负数：符号位为1不变，其余位对原码取反加1；

isize 和 usize的主要场景是对某种集合进行索引操作。

2.1.1.2、整型字面量(Integer Literals)

Number literals	Example ｜
Decimal	98_222
Hex	0xff
Octal	0o77
Binary	0b1111_000
Byte(u8 only)	b’a’

除了byte类型外，所有数值字面量都允许使用类型后缀，例如：67u8；

2.1.1.3、整数溢出

u8的范围是0-255，如果你把一个 u8的值设置为 256。

• 调试模式（Debug）下，rust 会检查整数溢出，如果发生溢出，程序会在运行时就会 panic。
• 发布模式（Release）下，rust 不会检查整数溢出，若果发生溢出，rust 会执行环绕操作，不会抛出 panic；

如果要在 release 模式下打开整数溢出检查后，只需要在 Cargo.toml 中配置

[profile.release]
overflow-checks = true

2.1.2、浮点型(Floating-Point Types)

浮点数有两种类型：f32(单精度)、f64(双精度)。Rust的浮点类型使用了 IEEE-754 标准来表述。 f64 是默认类型，因为在现代 CPU 上 f64 和 f32 的速度差不多，而且精度更高。

2.1.3、布尔类型(Boolean Type)

布尔类型只有两个值：true、false。布尔类型的大小为1 字节，在 rust 中 布尔类型使用 bool 关键字。

2.1.4、字符(Character Type)

字符类型是一个比较特别的，在 Java 和 CPP 之中 都只占用 1个字节，但是 Rust 为了支持描述任何一个 unicode 字符， char 类型需要 4个字节来描述，这样会带来空间资源的浪费，因为 ASCII 字符其实只需要 1 个字节的空间。如果只需要单字节即可，Rust 给出的解决方案是用 ‘b’ 来声明单字节，将字符以u8类型的形式存储。

let x: u8 = b'A';  // 占 1 个字节
let y: char = 'A'; // 占 4 个字节

2.1.5、数字操作

Rust 支持所有数字类型所需要的基本数学操作：+、-、*、/、% 。 整数触发会向零截断到最接近的整数。

fn main() {
    // addition
    let sum = 5 + 10;

    // subtraction
    let difference = 95.5 - 4.3;

    // multiplication
    let product = 4 * 30;

    // division
    let quotient = 56.7 / 32.2;
    let truncated = -5 / 3; // Results in -1

    // remainder
    let remainder = 43 % 5;
}

2.2、复合类型(Compound Types)

复合类型可以将多个值分组到一个类型中，Rust 中有两种基本复合类型：元组和数组。

2.2.1、元组(Tuple Type)

元组是一个具有多种数据类型的多个值组合成一个复合类型，元组有固有的长度。一旦声明它们的长度就不会增长或缩小。

2.2.1.1、元组定义

我们通常在括号内写一个逗号分隔的值列表来创建元组。

fn main() {
    let tup:(i32, f64, u8) = (500, 6.4, 1);
    // 定义空元组
    let tup01:() = ();
    // 单个元素元组
    let tup02 = (1,);

    println!("{:?}", tup01);
    println!("{:?}", tup02);
    
    println!("{:?}", tup);
}

需要注意：

• 如果你使用显示数据类型声明单个元素的元组，编译器会给出警告；
• 如果你要声明单个元素，必须使用自动类型推断，并且初始化的时候必须带有逗号，否则会被编译器认为是单个元素变量；

2.2.1.2、访问元组的方式

2.2.1.2.1、模式解构

fn main() {
    let tup:(i32, f64, u8) = (500, 6.4, 1);
    let (x, y, z) = tup;
    println!("{:?}", tup);
    println!(" the value of x is :{}", x);
    println!(" the value of y is :{}", y);
    println!(" the value of z is :{}", z);
}

2.2.1.2.2、数字索引(使用.来访问元组)

模式解构可以让我们一次性把元组全部获取出来，如果我们想要访问某个元组， 可以使用 . 操作符来访问；和其他语言一样 数组、字符串、元组的索引从0开始。

fn main() {
    let x: (i32, f64, u8) = (500, 6.4, 1);

    let five_hundred = x.0;
    let six_point_four = x.1;
    // 如果索引不在范围内，会报如下错误 error[E0609]: no field `3` on type `(i32, f64, u8)`

    println!("five_hundred is {}", five_hundred);
    println!("six_point_four is {}", six_point_four);

}

2.2.2、数组(Array Type)

数组的每个元素都必须具有相同的类型，数组具有固定的长度，依次线性排列。

2.2.2.1、数组的定义

数组的定义格式如下：let 变量名[类型; 数组长度] = [初始化列表];

fn main() {
    let array:[i32; 3] = [1,3,5];
    let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];
              
    // 如果一个数组有多个重复的元素的时候
    let a = [3;5];

    println!("array: {:?}", array);
    println!("months: {:?}", months);
}

2.2.2.2、数组的访问

使用索引访问数组的元素，索引从0开始，到数组长度-1；如果超出数组索引访问将会运行时报错。

fn main() {
    let a = [9, 8, 7, 6, 5];

    let first = a[0]; // 获取a数组第一个元素
    let second = a[1]; // 获取第二个元素

    println!("first: {:?}", first);
    println!("second: {:?}", second);
}

索引越界的时候，程序将会执行错误

error: this operation will panic at runtime
 --> src/main.rs:5:18
  |
5 |     let second = a[6]; // 获取第二个元素
  |                  ^^^^ index out of bounds: the length is 5 but the index is 6
  |
  = note: `#[deny(unconditional_panic)]` on by default

error: could not compile `hello` (bin "hello") due to previous error

三、函数

函数在Rust代码只能够很常见，我们已经见到了最重要的函数 main 函数，他是许多程序的入口函数，我们还看到了 fn 关键字。

3.1、函数定义

在 rust 里面函数使用 fn 关键字声明。rust中函数名采用所有字母都是小写的，并且使用下划线分隔单词。函数使用大括号包括起来。

// 无参函数
fn another_function() {
    println!("Another function.");
}

3.2、函数参数(parameters)

// 函数参数，函数的参数必须声明参数的类型
fn another_function(x: i32) {
    println!("Another function.");
}

• 定义函数的时候声明的参数叫做形式参数；
• 调用函数的时候传入的参数叫做实际参数；

3.3、返回值(Return Values)

// 函数返回值
fn five() -> i32 {
    println!("Another function.");
    return 5; //或者直接写 5
}

在 rust 里面，函数可以在函数里面定义，也可以在函数外面定义。

函数里包含了语句和表达式。在rust语言里面。函数定义也是语句，所以函数可以在函数内部定义。

需要注意的是我们在省略 return 关键字的时候，不能带有分号，否则会报错

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:7:24
  |
7 | fn plus_one(x: i32) -> i32 {
  |    --------            ^^^ expected `i32`, found `()`
  |    |
  |    implicitly returns `()` as its body has no tail or `return` expression
8 |     x + 1;
  |          - help: remove this semicolon to return this value

3.4、语句和表达式(Statements and Expressions)

函数体是由一些语句组成，可选地以表达式结尾。

3.4.1、语句

执行某些操作但不返回值的指令

3.4.1.1、赋值语句

let y = 6;

let 语句不能作为赋值语句的右值。

3.4.1.2、代码块

fn main() {
    let y = {
        let x = 3;
        x + 1
    };

    println!("The value of y is: {y}");
}

3.4.2、表达式

表达式求值为结果值。

四、注释(Comments)

所有程序员都努力使它们的代码易于理解，但是有时候额外的解释是必要的，编译器会忽略这些注释。

五、控制流(Control Flow)

5.1、if 表达式

if 表达式 允许根据条件对代码进行分支选择，如果条件满足，则运行，否则不运行。

if 后面必须得更 bool 类型变量或表达式，否则将会报错

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:4:8
  |
4 |     if number {
  |        ^^^^^^ expected `bool`, found integer

5.1.1、if else 表达式

1、双分支结构

fn main() {
    let number = 3;

    if number < 5 {
        println!("condition was true");
    } else {
        println!("condition was false");
    }
}

2、多分枝结构

fn main() {
    let number = 6;

    if number % 4 == 0 {
        println!("number is divisible by 4");
    } else if number % 3 == 0 {
        println!("number is divisible by 3");
    } else if number % 2 == 0 {
        println!("number is divisible by 2");
    } else {
        println!("number is not divisible by 4, 3, or 2");
    }
}

5.1.2、在let语句中使用 if

在 let 语句右边可以使用 if 表达式，但是要求两个分支的值要是相同的类型，否则将会报错

fn main() {
    let condition = true;
    let number = if condition { 5 } else { 6 };

    println!("The value of number is: {number}");
}

5.2、循环(loops)

5.2.1、loop 循环

5.2.1.1、loop 死循环

fn main() {
    loop {
        println!("again!");
    }
}

5.2.1.2、loop 循环返回值

fn main() {
    let mut counter = 0;

    let result = loop {
        counter += 1;

        if counter == 10 {
            break counter * 2;
        }
    };

    println!("The result is {result}");
}

5.2.1.2、loop 标签结合break 来跳出指定循环

fn main() {
    let mut count = 0;
    'counting_up: loop {
        println!("count = {count}");
        let mut remaining = 10;

        loop {
            println!("remaining = {remaining}");
            if remaining == 9 {
                break;
            }
            if count == 2 {
                break 'counting_up;
            }
            remaining -= 1;
        }

        count += 1;
    }
    println!("End count = {count}");
}

5.2.2、while 循环

5.2.2.1、while 循环

fn main() {
    let mut number = 3;

    while number != 0 {
        println!("{number}!");

        number -= 1;
    }

    println!("LIFTOFF!!!");
}

5.2.2.2、使用 while 循环遍历数组

fn main() {
    let a = [10, 20, 30, 40, 50];
    let mut index = 0;

    while index < 5 {
        println!("the value is: {}", a[index]);

        index += 1;
    }
}

5.2.3、for 循环

5.2.3.1、遍历序列

fn main() {
    for i in 1..11  {
        println!("{}", i);
    }
}

其中 1…11 是 Range 对象的定义形式，表示的是1-10 的序列；

fn main() {
    for number in (1..4).rev() {
        println!("{number}!");
    }
    println!("LIFTOFF!!!");
}

5.2.3.2、迭代器循环

fn main(){
    let fruits=["mango","apple","banana","litchi","watermelon"];  
    for fruit in fruits.iter()  
    {  
      print!("{:?} ",fruit);  
    }
}

5.2.3.3、数组遍历

fn main() {
    let a = [10, 20, 30, 40, 50];

    for element in a {
        println!("the value is: {element}");
    }
}

总结

以上就是今天要讲的内容

• 本文介绍了 Rust 基本程序概念，主要包含 Rust 变量和常量的定义使用、Rust 数据类型、Rust 流程控制；