上一篇：Rust 学习笔记 2：猜数字游戏

1. 前言

限于作者能力水平，本文可能存在谬误，因此而给读者带来的损失，作者不做任何承诺。

2. 背景

本文基于 Rust 文档 Common Programming Concepts 翻译整理而成。

3. Rust 中的一般性编程概念

本章节描述几乎所有编程语言都会出现的一般性编程概念，包括：

• 变量
• 基本类型
• 函数
• 注释
• 控制流

3.1 变量及其可变性(Mutability)

3.1.1 变量定义

Rust 通过 let 关键字来定义变量。如：

let var = 5;

Rust 中定义的变量，默认是不可变的(immutable)，下面的代码中，语句 x = 6; 试图修改变量 x，将会导致编译错误：

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

Compiling playground v0.0.1 (/playground)
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

想要将变量定义为可变的(mutable)，可以在定义变量时加上 mut 修饰。前面的代码按如下修改，将不再产生编译错误：

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

3.1.2 常量

const THREE_HOURS_IN_SECONDS: u32 = 60 * 60 * 3;

定义常量，需要显式地指定类型。指定常量类型的方式是：在变量名后紧跟 : ，再加上类型。指定常量类型的方式也适用于变量。

3.1.3 变量隐藏(Shadowing)

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

上面这段代码的运行输出如下：

The value of x in the inner scope is: 12
The value of x is: 6

这里有两个关键点：

1. Rust 允许定义同名变量，顺序上定义在后面变量隐藏前面的变量；
2. 变量有其作用域。这和其它语言相似，上面里层 {} 内 x 的在离开 } 时就不再有效了。

Rust 甚至允许改变同名变量的类型：

let spaces = "   ";
let spaces = spaces.len();

这一点和 Python 类似。但下面的代码时不允许的，将会产生编译错误，这又和 Python 不同：

let mut spaces = "   ";
spaces = spaces.len();

3.2 基本类型

Rust 中任何变量都属于一种类型，本文关注标量(scalar) 和复合数据(compound)类型。 Rust 是一种静态类型语言，也就是说，在编译时编译器必须知道变量的类型，这和 C 语言 一样；和 C 语言不一样的是，Rust 编译器可以根据变量的使用方式，来推断变量的数据类型，但当一个变量在上下文中可以是多种类型时，这时候需要显式指定变量的类型，如：

let guess: u32 = "42".parse().expect("Not a number!");

上面的代码将变量显式地指定为 u32 类型。如果不这样做，像如下编码：

let guess = "42".parse().expect("Not a number!");

编译器将爆出错误信息：

error[E0284]: type annotations needed--> src/main.rs:2:9|
2 |     let guess = "42".parse().expect("Not a number!");|         ^^^^^        ----- type must be known at this point|= note: cannot satisfy `<_ as FromStr>::Err == _`
help: consider giving `guess` an explicit type|
2 |     let guess: /* Type */ = "42".parse().expect("Not a number!");|              ++++++++++++For more information about this error, try `rustc --explain E0284`.
error: could not compile `playground` (bin "playground") due to 1 previous error

错误信息 type annotations needed 明确的昭示，需要显式指定数据类型。

3.2.1 标量(scalar)类型

标量类型表示单个值。Rust 有四种主要的标量类型：整数、浮点数、布尔值、字符。让我们来看看它们在 Rust 中是如何工作的。

3.2.1.1 整型(Integer Types)

Rust 中的整型(Integer Types)有如下几种：

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

除了 arch 外，其它类型一目了然，没啥好说的。arch 类型数据位数取决于硬件架构：在 32-bit 架构下是 32-bit，在 64-bit 架构下是 64-bit 。

Rust 中数字常量的书写形式多种多样，如下表所示：

Number literals	Example	说明
Decimal	98_222	用 _ 作为分隔符
Hex	0xff	十六进制形式
Octal	0o77	八进制形式
Binary	0b1111_0000	二进制形式
Byte (u8 only)	b’A’	字节，仅适用于 u8 类型

3.2.1.2 浮点型(Floating-Point Types)

Rust 的浮点型有 f32 和 f64 两种，默认位 f64。所有浮点都是有符号(signed)类型。看个例子：

fn main() {let x = 2.0; // f64let y: f32 = 3.0; // f32
}

Rust 浮点根据 IEEE 754 标准表示，f32 为单精度(single-precision)浮点，f64 为双精度(double precision)浮点。

3.2.1.3 数值运算(Numeric Operations)

Rust 支持你期望的所有数字类型的基本数学运算：加法、减法、乘法、除法、余数。整数除法将向零截断到最接近的整数。以下代码显示了如何在 let 语句中使用每个数值运算：

fn main() {// additionlet sum = 5 + 10;// subtractionlet difference = 95.5 - 4.3;// multiplicationlet product = 4 * 30;// divisionlet quotient = 56.7 / 32.2;let truncated = -5 / 3; // Results in -1// remainderlet remainder = 43 % 5;
}

这些语句中的每个表达式都使用数学运算符，并计算为单个值，然后将其绑定到变量。

3.2.1.4 布尔类型(The Boolean Type)

与大多数其他编程语言一样，Rust 中的布尔类型有两个可能的值：true 和 false。布尔值的大小为 1 个字节。Rust 中的 布尔类型是使用 bool 指定的。例如：

fn main() {let t = true;let f: bool = false; // with explicit type annotation
}

3.2.1.5 字符类型(The Character Type)

Rust 的 char 类型是该语言最原始的字母类型。以下是声明 char 值的一些示例：

fn main() {let c = 'z';let z: char = 'ℤ'; // with explicit type annotationlet heart_eyed_cat = '😻';
}

请注意，我们使用单引号指定 char 文本，而不是使用双引号的字符串文本。Rust 的 char 类型大小为 4 个字节，表示一个 Unicode 标量值，这意味着它可以表示的不仅仅是 ASCII。重音字母、中文、日文和韩文字符、表情符号、和零宽度的空格都是 Rust 中的有效 char 值。Unicode 标量值的范围从 U+0000 到 U+D7FF 和 U+E000 到 U+10FFFF（含）。

3.2.1.6 复合类型(Compound Types)

复合类型可以将一组的多个值作为一种类型。Rust 有两种原始复合类型：元组(Tuple)和数组(Array)。

3.2.1.6.1 元组(The Tuple Type)

元组(Tuple)是将具有多种类型的多个值分组为一种复合类型的通用方法。元组具有固定长度：一旦声明，它们的大小就不能增大或缩小。

我们通过在括号内编写以逗号分隔的值列表来创建元组。元组中的每个位置都有一个类型，元组中不同值的类型不必相同。在此示例中，我们添加了可选的类型标注：

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

变量 tup 绑定到整个元组，因为元组被视为单个复合元素。要从元组中获取单个值，我们可以使用模式匹配来解构元组值，如下所示：

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

该程序首先创建一个元组并将其绑定到变量 tup。然后，它使用带有 let 的模式来获取 tup 并将其转换为三个单独的变量 x、y 和 z。这称为解构，因为它将单个元组分成三个部分。最后，程序打印 y 的值，即 6.4。

我们还可以通过使用句点 . 后跟我们要访问的值的索引来直接访问元组元素。例如：

fn main() {let x: (i32, f64, u8) = (500, 6.4, 1);let five_hundred = x.0;let six_point_four = x.1;let one = x.2;
}

该程序创建元组 x 并使用各自的索引访问元组的每个元素。与大多数编程语言一样，元组中的第一个索引是 0。

没有任何值的元组具有特殊名称 unit。此值及其相应的类型都写入 () 并表示空值或空返回类型。如果表达式不返回任何其他值，则隐式返回 unit 值。

3.2.1.6.2 数组(The Array Type)

拥有多个值的集合的另一种方法是使用数组(array)。与元组(tuple)不同，数组的每个元素都必须具有相同的类型。与其他一些语言中的数组不同，Rust 中的数组具有固定的长度。

我们将数组中的值写成方括号内的逗号分隔列表：

fn main() {let a = [1, 2, 3, 4, 5];
}

当希望将数据分配在堆栈而不是堆上时，或者当希望确保始终具有固定数量的元素时，数组非常有用。但是，数组不如 vector 类型灵活。向量是标准库提供的类似集合类型，允许其大小增大或缩小。

但是，当知道元素数不需要更改时，数组会更有用。例如，如果在程序中使用月份的名称，你可能会使用数组而不是向量，因为你知道它始终包含 12 个元素：

let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July","August", "September", "October", "November", "December"];

使用方括号指定数组的类型，其中的元素分别是数组的类型、数组中的元素个数，如下所示：

fn main() {let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];
}

你还可以初始化所有元素为相同值的数组，方法是指定初始值，后跟分号、最后是数组的长度，并将它们置于方括号内，如下所示：

let a = [3; 5];

名为 a 的数组将包含 5 个元素，这些元素最初都将设置为值 3。这等同于 let a = [3， 3， 3， 3， 3];，但方式更简洁。

3.2.1.6.2.1 访问数组元素

你可以使用索引访问数组的元素，如下所示：

fn main() {let a = [1, 2, 3, 4, 5];let first = a[0];let second = a[1];
}

在此示例中，名为 first 的变量将获得值 1，因为这是数组中索引 [0] 处的值。名为 second 的变量将从数组中的索引 [1] 获取值 2。

3.2.1.6.2.2 非法访问数组元素

让我们看看如果你尝试访问数组中超过数组末尾的元素会发生什么。假设你运行这段代码：

use std::io;fn main() {let a = [1, 2, 3, 4, 5];println!("Please enter an array index.");let mut index = String::new();io::stdin().read_line(&mut index).expect("Failed to read line");let index: usize = index.trim().parse().expect("Index entered was not a number");let element = a[index];println!("The value of the element at index {index} is: {element}");
}

如果使用 cargo run 运行此代码并输入 0、1、2、3 或 4，则程序将打印出数组中该索引处的相应值。如果输入的是一个超过数组末尾的数字，例如 10，您将看到如下输出：

thread 'main' panicked at src/main.rs:19:19:
index out of bounds: the len is 5 but the index is 10
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

该程序在索引操作中使用无效值时导致运行时错误。程序退出并显示错误消息，并且未执行最终的 println 语句。当你尝试使用索引访问元素时，Rust 将检查你指定的索引是否小于数组长度。如果索引大于或等于长度，Rust 将 panic。此检查必须在运行时进行，因为编译器不可能知道用户稍后运行代码时将输入什么值。

3.3 函数

fn 关键字，用来声明新函数，在函数名后跟一对花括号 {} 用来定义函数体。如：

fn main() {println!("Hello, world!");another_function();
}fn another_function() {println!("Another function.");
}

Rust 不关心你在哪里定义你的函数，只关心它们在调用者可以看到的作用域中的某个位置定义。

3.3.1 函数参数

我们可以将函数定义为带有参数，如下：

fn main() {another_function(5);
}fn another_function(x: i32) {println!("The value of x is: {x}");
}

在函数定义中，必须声明每个参数的类型。这是 Rust 设计中的一个深思熟虑的决定：在函数定义中要求标注类型，意味着编译器几乎不需要通过查看代码中其他位置对它们的使用，来弄清楚它们的类型。如果编译器知道函数需要什么类型，它也能够提供更有用的错误消息。

定义多个参数时，请用逗号分隔参数声明，如下所示：

fn main() {print_labeled_measurement(5, 'h');
}fn print_labeled_measurement(value: i32, unit_label: char) {println!("The measurement is: {value}{unit_label}");
}

3.3.2 语句 和 表达式

函数体由一系列语句(statements)组成，可以选择以表达式(expression)结尾。到目前为止，我们介绍的函数尚未包含结束表达式，但您已经看到表达式作为语句的一部分。因为 Rust 是一种基于表达式的语言，所以这是一个需要理解的重要区别。其他语言没有相同的区别，所以让我们看看什么是语句和表达式，以及它们的区别如何影响函数体。

• 语句(statements)：执行某些操作，但不返回值。
• 表达式(expression)：表达式产生一个结果值。

由于语句(statements)不返回值，所以你不能将 let 语句分配给另一个变量，就像下面的代码尝试执行的操作一样，将会产生编译错误：

fn main() {let x = (let y = 6);
}

error: expected expression, found `let` statement--> src/main.rs:2:11|
2 |     let x = (let y = 6);|              ^^^|= note: only supported directly in conditions of `if` and `while` expressionswarning: unnecessary parentheses around assigned value--> src/main.rs:2:10|
2 |     let x = (let y = 6);|             ^         ^|= note: `#[warn(unused_parens)]` on by default
help: remove these parentheses|
2 -     let x = (let y = 6);
2 +     let x = let y = 6;|

let y = 6 语句不返回值，因此 x 没有要绑定到的任何内容。这与其他语言（如 C 和 Ruby）中发生的情况不同，其中赋值返回赋值。在这些语言中，您可以编写 x = y = 6，并且 x 和 y 的值为 6；但在 Rust 中不是这种情况。

表达式(expression)的计算结果为一个值。考虑一个数学运算，例如 5 + 6，它是一个计算结果为 11 的表达式。表达式可以是语句的一部分。调用函数是一个表达式。调用宏是一个表达式。使用大括号创建的新作用域是一个表达式，例如：

fn main() {let y = {let x = 3;x + 1};println!("The value of y is: {y}");
}

其中：

{let x = 3;x + 1
};

是一个表达式，其计算结果为 4。该值作为 let 语句的一部分绑定到 y。请注意，x + 1 行的末尾没有分号，这与目前看到的大多数行不同。表达式不包括结束分号。如果在表达式的末尾添加分号，则会将其转换为语句，并且不会返回值。

3.3.3 函数返回值

函数可以将值返回给调用它们的代码。在函数声明的尾部用箭头 -> 声明函数返回值的类型。在 Rust 中，函数的返回值与函数体中最后一个表达式的值同义。可以通过使用 return 关键字并指定值从函数提前返回，但大多数函数都隐式返回最后一个表达式。下面是一个返回值的函数示例：

fn five() -> i32 { // 函数返回值的类型为 i325 // 函数返回值: 5
}fn main() {let x = five();println!("The value of x is: {x}");
}

函数 five() 中没有函数调用、宏，甚至没有 let 语句，只有数字 5 本身。这在 Rust 中是一个完全有效的函数。请注意，该函数的返回类型也被指定为 -> i32。尝试运行此代码，输出应如下所示：

The value of x is: 5

函数 five() 中的 5 是函数的返回值，这就是为什么返回类型为 i32 的原因。让我们更详细地研究一下，有两个重要的部分：首先，语句 let x = five(); 表示正在使用函数的返回值来初始化变量。由于函数 five() 返回 5，因此该行与以下内容相同：

let x = 5;

其次，函数 five()没有参数、定义了返回值的类型，但函数的主体是一个表达式 5，它作为函数的返回值。

看另外一个例子：

fn main() {let x = plus_one(5);println!("The value of x is: {x}");
}fn plus_one(x: i32) -> i32 {x + 1
}

函数 plus_one() 有一个 i32 类型的参数 x，且其返回值为 i32 类型。假设将函数 plus_one() 定义修改如下：

fn plus_one(x: i32) -> i32 {x + 1; // 多了一个 分号
}

将产生编译错误：

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 valueFor more information about this error, try `rustc --explain E0308`.

主要错误消息 mismatched types 揭示了此代码的核心问题。函数 plus_one() 的定义说明它将返回一个 i32，但语句不会计算出一个值，该值由 () 表示，即 unit 。因此，不会返回任何内容，这与函数定义相矛盾并导致错误。在此输出中，Rust 提供了一条消息，可能有助于纠正此问题：它建议删除分号，这将修复错误。

3.4 注释

Rust 中的注释：

// hello, world// So we’re doing something complicated here, long enough that we need
// multiple lines of comments to do it! Whew! Hopefully, this comment will
// explain what’s going on.

3.5 控制流

3.5.1 if 表达式

看一个例子：

fn main() {let number = 3;if number < 5 {println!("condition was true");} else {println!("condition was false");}
}

Rust 的 if 表达式和多数语言(如 C)不一样，它不带小括号。另外，else 表达式也不是必须的。

Rust 的 if 表达式 要是一个布尔值，如下代码将导致编译错误，因为变量 number 是一个数字：

fn main() {let number = 3;if number {println!("number was three");}
}

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

修改代码成如下，将修正编译错误：

fn main() {let number = 3;if number == 3 {println!("number was three");}
}

再看一下 if 处理多个分支的情形：

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");}
}

3.5.1.1 在 let 语句中使用 if

因为 if 是一个表达式，我们可以在 let 语句的右侧使用它，来将结果分配给一个变量。如：

fn main() {let condition = true;let number = if condition { 5 } else { 6 };println!("The value of number is: {number}");
}

请记住，代码块的计算结果为其中的最后一个表达式，而数字本身也是表达式。在这种情况下，整个 if 表达式的值取决于执行的代码块。这意味着有可能成为 if 的每个分支的结果的值必须为同一类型；如果类型不匹配，将遇到编译错误，如下例所示：

fn main() {let condition = true;let number = if condition { 5 } else { "six" };println!("The value of number is: {number}");
}

error[E0308]: `if` and `else` have incompatible types--> src/main.rs:4:44|
4 |     let number = if condition { 5 } else { "six" };|                                 -          ^^^^^ expected integer, found `&str`|                                 ||                                 expected because of this

if 中的表达式计算结果为整数，else 中的表达式计算结果为字符串。这是行不通的，因为变量必须只有一个类型，而 Rust 需要在编译时明确知道 number 变量是什么类型。知道 number 的类型，可以让编译器验证该类型在我们使用 number 的任何地方都有效。如果 number 的类型仅在运行时确定，Rust 将无法做到这一点；如果编译器必须跟踪任何变量的多个假设类型，则编译器将更复杂，并且对代码可靠性的保证将会更少。

3.5.2 循环

多次执行一个代码块通常很有用，对于此任务，Rust 提供了多种循环，这些循环将遍历循环体内部的代码直到结束，然后立即从头开始。

Rust 有三种类型的循环：loop、while、for，让我们逐一尝试。

3.5.2.1 loop 循环

loop 关键字告诉 Rust 永远一遍又一遍地执行一段代码，或者直到你明确告诉它停止。如：

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

这个循环永远不会退出，除非按下 Ctrl + C 或类似操作。幸运的是，Rust 还提供了一种使用代码跳出循环的方法，可以在循环中放置 break 关键字，以告知程序何时停止执行循环。另外，continue 关键字将导致进入下一轮循环。

3.5.2.1.1 从 loop 循环返回值

循环的用途之一是重试你知道可能会失败的操作，例如检查线程是否已完成其工作。你可能还需要将该操作的结果从循环中传递给代码的其余部分。为此，你可以在用于停止循环的 break 表达式之后添加要返回的值；该值将从循环中返回，以便你可以使用它，如下所示：

fn main() {let mut counter = 0;let result = loop {counter += 1;if counter == 10 {break counter * 2; // 从 loop 循环返回值}};println!("The result is {result}");
}

也可以从内部循环返回，break 仅退出当前循环，而 return 始终退出当前函数。

3.5.2.1.2 loop 标签以消除多个 loop 之间的歧义

如果 loop 循环有多重，则 break 和 continue 将应用于最里层 loop。你可以选择在循环上指定一个 loop 标签，然后和 break 或 continue 一起使用，以指定它们应用于某个用 loop 标签标记的循环，而不是最内层的循环。loop 标签必须以单引号开头。下面是一个包含两个嵌套循环的示例：

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}");
}

外部循环的标签为 'counting_up，它将从 0 到 2 递增；没有标签的内循环从 10 到 9 倒计数。未指定标签的第一个 break 将仅退出内部循环；break 'counting_up; 语句将退出外部循环。编译运行代码，结果如下：

count = 0
remaining = 10
remaining = 9
count = 1
remaining = 10
remaining = 9
count = 2
remaining = 10
End count = 2

3.5.2.2 while 循环

程序通常需要评估循环中的条件：当条件为 true 时，循环运行；当条件不再为 true 时，程序调用 break 并停止循环。可以使用 loop、if、else 和 break 的组合来实现这样的行为。然而，这种模式非常普遍，以至于 Rust 有一个内置的语言结构，称为 while 循环。示例如下：

fn main() {let mut number = 3;while number != 0 {println!("{number}!");number -= 1;}println!("LIFTOFF!!!");
}

这个结构消除了如果你使用 loop、if、else 和 break 所必需的大量嵌套，它更清晰。当条件的计算结果为 true 时，代码将运行；否则，它将退出循环。

3.5.2.3 for 循环

你还可以使用 while 来循环访问集合的元素，例如数组。例如：

fn main() {let a = [10, 20, 30, 40, 50];let mut index = 0;while index < 5 {println!("the value is: {}", a[index]);index += 1;}
}

但是，这种方法容易出错。如果索引值或循环测试条件不正确，可能会导致程序 panic。例如，如果您将 a 数组的定义更改为具有 4 个元素，但忘记将条件更新为 while index < 4，则代码将 panic。它也很慢，因为编译器会添加运行时代码，以便在循环的每次迭代中执行索引是否在数组边界内的条件检查。

作为更简洁的替代方法，可以使用 for 循环并为集合中的每个元素执行一些代码。如：

fn main() {let a = [10, 20, 30, 40, 50];for element in a {println!("the value is: {element}");}
}

当我们运行这段代码时，我们将看到与 while 示例中相同的输出。更重要的是，我们现在提高了代码的安全性，并消除了因超出数组末尾、或没有遍历所有元素而导致错误的可能性。

使用 for 循环，如果你更改了数组的长度，你仍然不需要更改 for 循环的代码。

for 循环的安全性和简洁性使它们成为 Rust 中最常用的循环结构。即使在你想运行一些代码一定次数的情况下，比如 while 循环的倒计数示例，大多数 Rust 编程人员也会使用 for 循环。执行此操作的方法是使用标准库提供的 Range，它按顺序生成所有数字，从一个数字开始，在另一个数字之前结束。

以下是使用 for 循环和另一种我们尚未涉及的方法 rev 来反转范围的倒计数示例：

fn main() {for number in (1..4).rev() { // (1..4).rev() 反转 (1,2,3) 为 (3,2,1)println!("{number}!");}println!("LIFTOFF!!!");
}

运行代码，得到如下输出：

3!
2!
1!
LIFTOFF!!!