【一天一门编程语言】Rust 语言程序设计极简教程

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Rust 语言程序设计极简教程

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介绍

Rust 是一种系统编程语言，由 Mozilla Foundation 开发，旨在提高软件的安全性、可靠性和可移植性。它是一种垃圾回收语言，但拥有像 C/C++ 那样的运行速度。Rust 同时支持多种编程范式，比如函数式编程、面向对象编程、泛型编程等，而且它还拥有着丰富的标准库，可以提供大量的功能。

Rust 的特性有：安全性、性能、可移植性和灵活性。Rust 的安全性源自它强大的类型系统，它可以让你编写更可靠、安全的代码，而不会像 C/C++ 那样更容易出错。Rust 的性能比其他高级语言更好，因为它会生成机器码，而不是字节码。Rust 的可移植性也比其他语言更好，可以在几乎所有的操作系统上运行，而且对各种平台都有很好的支持。Rust 的灵活性也很强，它可以让你做出你想要的任何功能，而不会被语言本身的限制所束缚。

总而言之，Rust 是一种很棒的系统编程语言，它的特性使得它成为一种很有前途的语言。

安装 Rust

要开始学习 Rust，首先就需要安装 Rust。

Rust 的安装过程非常简单。只需要下载安装程序，运行它，然后一路点击“下一步”就可以完成安装了。

你也可以使用官方提供的脚本来安装，脚本会自动检测你的操作系统，然后安装最新版本的 Rust：

# Linuxcurl https://sh.rustup.rs -sSf|sh# MacOScurl https://sh.rustup.rs -sSf|sh-s -- --default-toolchain stable -y# Windows
.\rustup-init.exe

安装完成后，你可以通过运行

rustc --version

来检查你的 Rust 版本：

rustc 1.43.0 (2aa4c46cf 2019-11-28)

Hello, World

现在你已经安装完 Rust，接下来就可以开始你的 Rust 学习之旅了！我们从最基本的“Hello, World”开始：

fnmain(){println!("Hello, World!");}

这段代码很简单，它会打印出“Hello, World!”字符串。

首先，我们声明了一个

main

函数，这个函数是程序的入口，程序从这里开始执行。然后，我们使用

println!

宏来打印出“Hello, World!”字符串。

要运行这段代码，首先需要将它编译成可执行文件：

rustc main.rs

编译完成后，我们就可以执行

main

这个可执行文件：

./main
Hello, World!

基础语法

在了解 Rust 的基础语法之前，首先要熟悉 Rust 的语法结构：

fnmain(){// 代码}

Rust 程序的最基本结构就是上面这样，也就是程序从

main

函数开始，然后执行

main

函数中的代码。

变量及数据类型

Rust 支持多种数据类型，比如整型、浮点型、字符串型等。要声明一个变量，只需要使用

let

关键字：

let x =5;// x 是一个整型let y =1.0;// y 是一个浮点型let s ="Hello";// s 是一个字符串

要注意的是，Rust 中的变量是不可变的，也就是说，一旦声明了一个变量，它的值就不可以改变：

let x =5;
x =10;// 错误！x 是不可变的

如果要声明一个可变的变量，可以使用

mut

关键字：

letmut x =5;
x =10;// 正确！x 是可变的

控制结构

Rust 支持多种控制结构，比如

if

、

while

、

for

等。

if

语句

if

语句用于判断一个条件是否成立，如果成立，则执行

if

语句块中的代码：

let x =5;if x <10{println!("x is less than 10");}

上面的代码会判断

x

是否小于 10，如果小于 10，则会打印出“x is less than 10”字符串。

while

语句

while

语句用于重复执行一段代码，直到某个条件不满足：

letmut x =5;while x >0{println!("x is {}", x);
    x -=1;}

上面的代码会不断打印出

x

的值，直到

x

的值小于等于 0 为止。

for

语句

for

语句用于遍历一个集合：

let arr =[1,2,3,4,5];for x in arr.iter(){println!("x is {}", x);}

上面的代码会依次打印出

arr

中的每一个元素。

函数

函数是一段可以重用的代码块，它可以接受参数，并返回结果：

fnadd(x:i32, y:i32)->i32{
    x + y
}let result =add(1,2);println!("1 + 2 = {}", result);// 1 + 2 = 3

上面的代码定义了一个

add

函数，它接受两个

i32

类型的参数，并返回一个

i32

类型的结果。

泛型

泛型是指在编译时，为类型变量指定类型参数，而不是在运行时指定参数。它允许程序员在不重复编写代码的情况下处理多种类型的数据。它是Rust语言的一种重要特性，可以帮助程序员更好地管理复杂的类型系统，提高代码的可重用性和可维护性。

泛型的语法

Rust使用angle brackets（尖括号）

<>

来指定泛型参数，泛型参数可以是任意类型，可以是结构体、枚举、函数或者模块等类型。

比如：

fnfoo<T>(x:T){// ...}

上面的代码表示定义了一个泛型函数foo，接受一个类型参数T。

另外，Rust还允许在定义泛型时，指定类型参数的限制，比如类型参数必须实现某一个特定的trait：

fnfoo<T:Display>(x:T){// ...}

泛型的应用

泛型的使用可以让程序更加函数化，可以取代类型转换，减少代码重复。

比如，一个简单的函数，接受一个参数，并返回此参数的类型：

fnfoo(x:i32)->i32{
    x
}

如果需要支持多种类型，比如f32、u32等，就需要多次重复编写相同的代码：

fnfoo_i32(x:i32)->i32{
    x
}fnfoo_f32(x:f32)->f32{
    x
}fnfoo_u32(x:u32)->u32{
    x
}

而使用泛型，就可以用一次代码就支持多种类型：

fnfoo<T>(x:T)->T{
    x
}

这样，当调用foo函数时，只需指定参数的类型即可：

let a =foo::<i32>(1);let b =foo::<f32>(2.0);let c =foo::<u32>(3);

另外，使用泛型，还可以将程序的逻辑和类型分离，比如实现一个函数来求数组的最大值：

fnmax<T:PartialOrd>(arr:&[T])->&T{letmut max =&arr[0];for x in&arr[1..]{if x > max {
            max = x;}}
    max
}

上面的代码可以支持任意类型的数组，只要满足PartialOrd trait即可，比如可以支持i32类型的数组：

let arr =[1,3,5,7];let max =max(&arr);assert_eq!(max,&7);

也可以支持字符串类型的数组：

let arr =["foo","bar","baz"];let max =max(&arr);assert_eq!(max,&"foo");

Trait

Trait是Rust语言中的一种重要概念，类似于其他语言中的接口，可以用来表示某一类型具有的能力。它可以提供公共的行为，比如定义函数，定义类型限制等。

Trait的定义

Trait是Rust语言中的一种重要概念，类似于其他语言中的接口，可以用来表示某一类型具有的能力。它可以提供公共的行为，比如定义函数，定义类型限制等。

Trait的定义使用trait关键字：

traitFoo{// trait定义}

例如，定义一个trait，用来定义可以被转换为字符串的类型：

traitToString{fnto_string(&self)->String;}

Trait的实现

Trait可以用来实现多态。比如，定义一个函数，接受一个参数，并将其转换为字符串：

fnto_string<T:ToString>(x:T)->String{
    x.to_string()}

使用这个函数，就可以将任意实现了ToString trait的类型转换为字符串：

let a =1;let a_str =to_string(a);assert_eq!(a_str,"1");let b ="foo";let b_str =to_string(b);assert_eq!(b_str,"foo");

Trait的继承

Trait也可以继承，比如定义一个新的trait，继承ToString trait：

traitToStringPlus:ToString{fnto_string_plus(&self)->String;}

这样，实现ToStringPlus trait的类型，就可以使用ToString trait定义的方法：

implToStringPlusfori32{fnto_string_plus(&self)->String{format!("{} plus",self.to_string())}}let a =1;let a_str = a.to_string_plus();assert_eq!(a_str,"1 plus");

模式匹配

模式匹配是一种灵活的代码组织手段，可以用来实现条件分支、枚举类型的判断等功能。它是Rust语言的一种重要特性，可以提高代码的可读性、可维护性，减少重复的代码。

模式匹配的语法

模式匹配使用match关键字来实现：

match x {// 一些模式 => 表达式// ...}

其中，x是一个表达式，用来匹配模式；模式是一种特定结构，用来匹配x的值；表达式是每个模式匹配成功后执行的动作。

比如，可以使用模式匹配来判断某个变量是否是某个值：

let x =1;match x {1=>println!("x is 1"),
    _ =>println!("x is not 1"),}

上面的代码中，x是一个表达式，用来匹配模式；1是一个模式，表示x的值必须是1；println!(“x is 1”)是模式匹配成功后执行的动作。

模式匹配的特性

模式匹配有一些特殊的特性，比如可以使用枚举类型的模式判断：

enumColor{Red,Green,Blue,}let color =Color::Red;match color {Color::Red=>println!("color is Red"),Color::Green=>println!("color is Green"),Color::Blue=>println!("color is Blue"),}

上面的代码中，模式Color::Red表示匹配Color枚举类型的Red值。

另外，模式匹配还支持多种结构，比如可以使用元组的模式判断：

let point =(1,2);match point {(0,0)=>println!("point is at origin"),(x,0)=>println!("point is on x-axis, x = {}", x),(0, y)=>println!("point is on y-axis, y = {}", y),(x, y)=>println!("point is at ({}, {})", x, y),}

上面的代码中，模式(x, 0)表示匹配一个元组，其第一个元素是任意值，第二个元素是0。

Rust 语言模块和结构体

Rust是一种非常受欢迎的现代编程语言，在许多领域，特别是系统级编程，它都表现出色。在 Rust 中，结构体是一种用来描述数据的重要工具，它可以让你将相关数据分组，并执行复杂的操作。

什么是结构体

结构体是 Rust 中的一种数据类型，它可以用来描述一组相关的数据项，每一项数据都有一个名字和类型。它可以用来描述一组具有相同属性的对象，比如学生、商品或者人类。

结构体的定义如下：

struct Name {
    // 成员变量
}

结构体可以定义成员变量，比如：

struct Student {
    name: String,
    age: u8,
    grade: u8,
}

这里定义了一个名为 Student 的结构体，它有三个成员变量：name、age 和 grade。

实例化结构体

在 Rust 中，你可以用定义的结构体来创建实例，比如：

let student1 = Student {
    name: String::from("John"),
    age: 20,
    grade: 90,
};

let student2 = Student {
    name: String::from("Jack"),
    age: 18,
    grade: 80,
};

这里我们创建了两个结构体实例，分别命名为 student1 和 student2。

结构体的方法

结构体也可以定义方法，这些方法可以对结构体的成员变量进行操作，比如：

impl Student {
    fn set_grade(&mut self, grade: u8) {
        self.grade = grade;
    }
}

这里我们定义了一个名为 set_grade 的方法，它接受一个 u8 类型的参数，并将它设置为结构体中 grade 的值。

结构体的模式匹配

结构体也可以用于模式匹配，比如：

let grade = match student1 {
    Student { grade, .. } => grade,
};

这里我们使用模式匹配来提取 student1 结构体中的 grade 变量。

结构体的作用

结构体在 Rust 中起着重要的作用，它可以帮助你将相关的数据分组，并执行复杂的操作。它可以用来描述一组具有相同属性的对象，并可以定义方法对其进行操作，还可以用于模式匹配。

Rust 语言智能指针

一、Rust 中什么是智能指针

Rust 中智能指针是一种引用类型，它具有智能的引用计数和清理资源的能力。Rust 智能指针不仅可以指向堆内存中的内存块，而且还可以指向栈中的内存块，这种智能指针在使用时不需要手动释放内存，而是在智能指针离开作用域时，自动释放对应的内存块，从而避免了内存泄漏的问题。

Rust 智能指针的特点是：

1. Rust 智能指针拥有和引用一样的语义，因此可以直接将智能指针传递给函数作为参数。
2. Rust 智能指针在使用时可以自动处理内存的释放，而不需要手动释放。
3. Rust 智能指针可以用于指向堆内存中的内存块，也可以用于指向栈中的内存块。

二、Rust 中智能指针的种类

Rust 中智能指针的种类有：

1. Rc

Rc<T>

（可以称为"引用计数智能指针"）是一种不可变智能指针，可以允许多个所有者拥有同一块内存空间，它的特点是：

• 可以允许多个所有者拥有同一块内存空间，但不能改变内存中的值。
• 在智能指针离开作用域时，自动释放内存，从而避免了内存泄漏的问题。

2. RefCell

RefCell<T>

（可以称为"可变智能指针"）是一种可变智能指针，可以向多个所有者提供可变的内存空间，它的特点是：

• 可以允许多个所有者拥有同一块内存空间，并可以改变内存中的值。
• 在智能指针离开作用域时，自动释放内存，从而避免了内存泄漏的问题。

3. Box

Box<T>

（可以称为"普通智能指针"）是一种普通的智能指针，可以指向堆内存中的内存块，它的特点是：

• 可以指向堆内存中的内存块，但不能指向栈中的内存块。
• 在智能指针离开作用域时，自动释放内存，从而避免了内存泄漏的问题。

三、Rust 智能指针的使用

1. Rc 的使用

Rc<T>

是 Rust 中不可变智能指针，可以允许多个所有者拥有同一块内存空间，它的使用方法如下：

usestd::rc::Rc;fnmain(){let s1 =String::from("s1");let s2 =Rc::new(s1);println!("s2 is {}", s2);}

以上代码中，

Rc::new()

函数用于创建一个

Rc<T>

智能指针，它接受一个参数，这个参数是一个可以被包装的类型，并返回一个

Rc<T>

类型的智能指针。

2. RefCell 的使用

RefCell<T>

是 Rust 中可变智能指针，可以向多个所有者提供可变的内存空间，它的使用方法如下：

usestd::cell::RefCell;fnmain(){let s1 =String::from("s1");let s2 =RefCell::new(s1);println!("s2 is {}", s2);}

以上代码中，

RefCell::new()

函数用于创建一个

RefCell<T>

智能指针，它接受一个参数，这个参数是一个可以被包装的类型，并返回一个

RefCell<T>

类型的智能指针。

3. Box 的使用

Box<T>

是 Rust 中普通的智能指针，可以指向堆内存中的内存块，它的使用方法如下：

usestd::boxed::Box;fnmain(){let s1 =String::from("s1");let s2 =Box::new(s1);println!("s2 is {}", s2);}

以上代码中，

Box::new()

函数用于创建一个

Box<T>

智能指针，它接受一个参数，这个参数是一个可以被包装的类型，并返回一个

Box<T>

类型的智能指针。

四、Rust 智能指针的优缺点

优点

1. Rust 智能指针可以自动处理内存的释放，而不需要手动释放，从而避免了内存泄漏的问题。
2. Rust 智能指针可以用于指向堆内存中的内存块，也可以用于指向栈中的内存块，因此可以提高程序运行效率。
3. Rust 智能指针具有智能的引用计数和清理资源的能力，可以有效管理内存资源。

缺点

1. Rust 智能指针使用不当会导致循环引用的问题，从而造成内存泄漏。
2. Rust 智能指针的使用可能会影响编译器的性能，从而影响程序的运行效率。

Rust 语言异步编程代码实例

Rust 是一种现代编程语言，具有高效的内存安全性以及几乎不会出现空指针问题的安全性，以及其他诸多优点，使它成为一种强大而先进的语言。此外，Rust 语言还支持使用异步 API，使编写异步程序变得更容易。

什么是异步编程

异步编程是一种编程模式，它使程序可以在不同的时间段内执行不同的任务，而不用等待前一个任务完成。这样可以提高程序的性能，因为它可以在不同的时间段处理多个任务。

Rust 的异步编程实现

Rust 语言支持一种叫做“Future”的异步编程模式，可以让我们在不阻塞应用程序的情况下异步地执行任务。我们可以使用 Rust 的 Future API 来实现异步编程，它提供了一种高效和可靠的方式来编写异步代码。

使用 Future API 的示例

下面是一个使用 Rust 的 Future API 来实现异步编程的示例：

usestd::future::Future;fnrun_async<F>(f:F)whereF:Future<Output=()>+'static,{// 创建一个新的线程来运行 Futurestd::thread::spawn(|| f.await);}fnmain(){let future =async{// 这里是异步任务的代码};run_async(future);}

在上面的代码中，我们使用

run_async

函数来异步地运行

future

变量，该变量包含一个异步任务的代码。我们还可以将

run_async

函数用于任何其他的异步任务，它可以让我们轻松地在多个线程上运行多个异步任务。

使用 async/await 语法

Rust 还支持 async/await 语法，可以让编写异步程序变得更加简单。下面是一个使用 async/await 语法实现的异步示例：

asyncfnrun_async(){// 这里是异步任务的代码}fnmain(){let future =run_async();tokio::spawn(future);}

在上面的代码中，我们使用

run_async

函数异步地运行

future

变量，它包含一个异步任务的代码。我们还可以使用

tokio::spawn

来轻松地运行多个异步任务。

小结

Rust 语言支持使用 Future API 和 async/await 语法来实现异步编程，可以让我们在不阻塞应用程序的情况下异步地执行任务。这样可以提高程序的性能，因为它可以在不同的时间段处理多个任务。

Rust 语言实现斐波那契数列代码实例：循环与递归

1. 什么是斐波那契数列

斐波那契数列（Fibonacci Sequence），又称黄金分割数列，指的是这样一个数列：1、1、2、3、5、8、13、21、34、……

在数学上，斐波纳契数列以如下被以递推的方法定义：

F(1)=1，F(2)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2)（n>=3，n∈N*）

2. Rust 语言实现斐波那契数列的循环方法

Rust 语言实现斐波那契数列的循环方法主要采用for循环的方式，具体实现如下：

fnfibonacci_loop(n:u32)->u32{letmut a =0;letmut b =1;for _ in0..n {let new_b = a + b;
        a = b;
        b = new_b;}
    a
}

上述代码中，for循环采用了n次迭代，每次迭代中，我们都会计算出斐波那契数列中的下一个数，并将其赋值给变量b，最终得到的变量a即为所求的斐波那契数列的第n项。

3. Rust 语言实现斐波那契数列的递归方法

Rust 语言实现斐波那契数列的递归方法需要先定义一个函数，其功能是计算斐波那契数列的每一项，并以此作为基础递归实现斐波那契数列。具体代码如下：

fnfibonacci_rec(n:u32)->u32{if n ==0{return0;}if n ==1{return1;}fibonacci_rec(n-1)+fibonacci_rec(n-2)}

上述代码中，我们首先定义了一个函数，其功能是计算斐波那契数列的每一项，并以此作为基础递归实现斐波那契数列。在实现递归调用的过程中，我们需要注意用到递归的函数必须要有终止条件，也就是上述代码中的if n == 0和if n == 1这两个语句，这两个语句的作用是作为终止条件，当求解到n=0或n=1时，就不再进行递归调用，而是直接返回结果。最终得到的函数返回值即为所求斐波那契数列的第n项。