Rust 语言基础：全面介绍与学习指南 – wiki词典

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Rust 语言基础：全面介绍与学习指南

引言：为何选择 Rust？

在当今的软件开发领域，性能、安全性和并发性是衡量编程语言优劣的关键指标。Rust，由 Mozilla 研究院开发，并于 2015 年发布首个稳定版本，正是为解决这些挑战而生。它以其独特的内存安全保证（无需垃圾回收器）、卓越的性能和强大的并发能力，迅速获得了开发者的青睐，被广泛应用于系统编程、WebAssembly、命令行工具、网络服务乃至区块链等领域。

Rust 旨在提供 C++ 般的性能控制，同时消除困扰 C/C++ 开发者多年的内存安全问题，如空指针解引用、数据竞争等。这得益于其创新的所有权（Ownership）系统和借用检查器（Borrow Checker），它们在编译时强制执行内存安全规则，而非运行时。

本文将全面介绍 Rust 的核心基础概念，并提供一个学习路径，帮助您快速入门 Rust 编程。

核心概念：理解 Rust 的基石

Rust 的学习曲线可能比一些高级语言陡峭，但一旦掌握其核心概念，您将体验到前所未有的开发效率和程序稳定性。

1. 所有权 (Ownership)

所有权是 Rust 最独特也是最核心的特性。它是一组规则，用于管理内存，而无需垃圾回收器。每个值在 Rust 中都有一个被称为其“所有者”（owner）的变量。
所有权规则如下：

  • 每个值都有一个所有者。
  • 一次只有一个所有者。
  • 当所有者超出作用域时，该值将被丢弃。

示例：

rust
fn main() {
let s1 = String::from("hello"); // s1 拥有 "hello" 这个 String
let s2 = s1; // s1 的所有权被移动到 s2。s1 此后不再有效。
// println!("{}", s1); // 编译错误！s1 已不再拥有值
println!("{}", s2); // s2 现在拥有 "hello"
} // s2 超出作用域，"hello" 被丢弃

理解所有权是 Rust 内存管理的关键。

2. 借用 (Borrowing) 与引用 (References)

借用系统是所有权规则的补充，它允许您在不转移所有权的情况下，访问一个值。这通过“引用”（references）实现。

  • 可变引用 (&mut)： 一次只能有一个可变引用指向一个特定数据。这防止了数据竞争。
  • 不可变引用 (&)： 可以有任意数量的不可变引用同时存在。它们不允许修改数据。

借用规则：

  • 在任意给定时间，您要么拥有一个可变引用，要么拥有任意数量的不可变引用。
  • 引用必须总是有效。

示例：

“`rust
fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s 是对 String 的不可变引用
s.len()
} // s 超出作用域，但它并不拥有 String，所以不会被丢弃

fn change_string(s: &mut String) { // s 是对 String 的可变引用
s.push_str(“, world!”);
}

fn main() {
let mut s = String::from(“hello”);
let len = calculate_length(&s); // 传递引用
println!(“The length of ‘{}’ is {}.”, s, len);

change_string(&mut s); // 传递可变引用
println!("After change: {}", s);

// 以下代码会产生编译错误，因为不能同时存在可变引用和不可变引用
// let r1 = &mut s;
// let r2 = &s;
// println!("{}, {}", r1, r2);

}
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3. 生命周期 (Lifetimes)

生命周期是 Rust 编译器确保所有引用都有效的一种机制。它们并不改变任何值的生命周期，只是用于编译器分析引用有效范围。在大多数情况下，编译器可以自动推断生命周期（称为“生命周期省略”），但有时您需要手动标注它们，尤其是在函数签名中。

示例（一个需要生命周期标注的场景）：

“`rust
// 返回两个字符串切片中较长的一个
// ‘a 是生命周期参数，表示返回的引用 s1 或 s2 的生命周期与 s1 和 s2 中较短的那个相同
fn longest<‘a>(s1: &’a str, s2: &’a str) -> &’a str {
if s1.len() > s2.len() {
s1
} else {
s2
}
}

fn main() {
let string1 = String::from(“abcd”);
let string2 = “xyz”;
let result = longest(string1.as_str(), string2);
println!(“The longest string is {}”, result);
}
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4. 变量绑定与可变性

在 Rust 中，变量默认是不可变的（immutable）。这意味着一旦一个值被绑定到一个变量，就不能再改变它。如果需要可变性，必须使用 mut 关键字。

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fn main() {
let x = 5; // 不可变
// x = 6; // 编译错误

let mut y = 5; // 可变
y = 6; // 允许
println!("y is: {}", y);

}
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5. 数据类型

Rust 是一种静态类型语言，但它具有强大的类型推断能力。基本数据类型包括：

  • 整型： i8, i16, i32, i64, i128 (有符号); u8, u16, u32, u64, u128 (无符号); isize, usize (根据架构而定)。
  • 浮点型： f32, f64。
  • 布尔型： bool (true 或 false)。
  • 字符型： char (Unicode 标量值，4 字节)。
  • 元组 (Tuples)： 具有固定数量元素的异构集合。
  • 数组 (Arrays)： 具有固定大小的同构集合。
  • 字符串： Rust 有两种主要的字符串类型：
    • String：可增长、可修改、拥有所有权的字符串（存储在堆上）。
    • &str：字符串切片，不可变，通常是对 String 或静态字符串字面量的引用（存储在栈或数据段）。

6. 函数与控制流

Rust 的函数定义使用 fn 关键字。控制流结构包括 if/else 表达式、loop、while 和 for 循环。

示例：

“`rust
fn add(x: i32, y: i32) -> i32 { // -> i32 表示返回类型
x + y // 表达式，不带分号，隐式返回
}

fn main() {
let number = 7;

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

let result = if number % 2 == 0 { "even" } else { "odd" };
println!("The number is {}", result);

let mut counter = 0;
let loop_result = loop {
    counter += 1;
    if counter == 10 {
        break counter * 2; // break 可以返回值
    }
};
println!("The loop result is: {}", loop_result);

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

}
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7. 结构体 (Structs) 与枚举 (Enums)

  • 结构体： 用于创建自定义的复合数据类型。
  • 枚举： 定义一个可以通过多种可能状态之一来表达的类型。

示例：

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

// 枚举
enum Message {
Quit,
Move { x: i32, y: i32 },
Write(String),
ChangeColor(i32, i32, i32),
}

impl Message { // 为枚举实现方法
fn call(&self) {
// 在这里定义方法行为
}
}

fn main() {
let user1 = User {
email: String::from(“[email protected]”),
username: String::from(“someusername123”),
active: true,
sign_in_count: 1,
};

let msg = Message::Write(String::from("hello"));
msg.call();

}
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8. 模式匹配 (Pattern Matching)

Rust 的 match 表达式非常强大，可以用来对枚举值进行解构，并根据不同的模式执行不同的代码。

示例：

“`rust
enum Coin {
Penny,
Nickel,
Dime,
Quarter,
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
match coin {
Coin::Penny => {
println!(“Lucky penny!”);
1
},
Coin::Nickel => 5,
Coin::Dime => 10,
Coin::Quarter => 25,
}
}

fn main() {
println!(“Value of a quarter: {}”, value_in_cents(Coin::Quarter));

// `if let` 是 `match` 的语法糖，用于处理只关心一个模式的情况
let some_value = Some(3);
if let Some(value) = some_value {
    println!("The value is {}", value);
}

}
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9. 模块系统 (Modules) 与包 (Packages)

Rust 通过模块（modules）和包（packages）来组织代码：

  • 包 (Package)： Rust 最大的代码单元，包含一个或多个 crates。
  • Crate： 可以是二进制文件（可执行程序）或库文件。
  • 模块 (Module)： 用于在 crate 内部组织代码，控制可见性（pub 关键字）。

示例：

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// src/main.rs (或 src/lib.rs)
mod front_of_house {
pub mod hosting { // pub 使 hosting 模块公开
pub fn add_to_waitlist() {} // pub 使函数公开
}
}

pub fn eat_at_restaurant() {
// 绝对路径
crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

// 相对路径
front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

}
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学习资源与建议

  1. 官方文档：《Rust 程序设计语言》(The Rust Programming Language)
    这是最权威、最全面的学习资源，通常被称为“The Book”。强烈建议从头到尾阅读。

  2. Rust Playground：
    一个在线的 Rust 代码编辑器，可以随时实验代码片段，无需在本地设置环境。

  3. Rust By Example：
    通过大量代码示例来学习 Rust 概念，非常适合动手实践者。

  4. Cargo 包管理器：
    Rust 的构建系统和包管理器。学习如何使用 Cargo 创建新项目、管理依赖、构建和运行代码是必不可少的。

    • cargo new project_name
    • cargo build
    • cargo run
    • cargo test
  5. 实践项目：
    最好的学习方式是边学边练。尝试从小型的命令行工具、Web 服务器、或数据处理脚本开始。例如：

    • 实现一个简单的 grep 克隆。
    • 构建一个待办事项列表应用。
    • 开发一个简单的 TCP 服务器。
  6. 社区参与：
    加入 Rust 社区，例如 Rust 官方论坛、Discord 服务器或 Stack Overflow，与其他开发者交流，寻求帮助。

结语

Rust 是一门强大且富有前景的语言。虽然其内存安全模型可能需要一些时间去适应，但一旦掌握，它将为您带来前所未有的开发体验，帮助您构建高性能、高可靠的软件。从理解所有权开始，逐步深入到借用、生命周期、结构体、枚举和模块系统，并结合实践项目，您将能够充分发挥 Rust 的潜力。祝您在 Rust 的学习旅程中取得成功！
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