Rust 程序设计语言 第三章常见编程概念_rust程序设计语言

3.常见编程概念

本章介绍一些几乎所有编程语言都有的概念，以及它们在 Rust 中是如何工作的。很多编程语言的核心概念都是共通的，本章中展示的概念都不是 Rust 所特有的，不过我们会在 Rust 上下文中讨论它们，并解释使用这些概念的惯例。

具体来说，我们将会学习变量、基本类型、函数、注释和控制流。每一个 Rust 程序中都会用到这些基础知识，提早学习这些概念会让你在起步时就打下坚实的基础。

关键字

Rust 语言有一组保留的 关键字（keywords），就像大部分语言一样，它们只能由语言本身使用。记住，你不能使用这些关键字作为变量或函数的名称。大部分关键字有特殊的意义，你将在 Rust 程序中使用它们完成各种任务；一些关键字目前没有相应的功能，是为将来可能添加的功能保留的。可以在附录 A 中找到关键字的列表。

3.1变量和可变性

ch03-01-variables-and-mutability.md

commit 21a2ed14f4480dab62438dcc1130291bebc65379

正如第二章中“使用变量储存值” 部分提到的那样，变量默认是不可改变的（immutable）。这是 Rust 提供给你的众多优势之一，让你得以充分利用 Rust 提供的安全性和简单并发性来编写代码。不过，你仍然可以使用可变变量。让我们探讨一下 Rust 为何及如何鼓励你利用不可变性，以及何时你会选择不使用不可变性。

当变量不可变时，一旦值被绑定一个名称上，你就不能改变这个值。为了对此进行说明，使用 cargo new variables 命令在 projects 目录生成一个叫做 variables 的新项目。

接着，在新建的 variables 目录，打开 src/main.rs 并将代码替换为如下代码，这些代码还不能编译，我们会首次检查到不可变错误（immutability error）。

文件名：src/main.rs

fn main() {
    let x = 5;
    println!("The value of x is: {x}");
    x = 6;
    println!("The value of x is: {x}");
}
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保存并使用 cargo run 运行程序。应该会看到一条与不可变性有关的错误信息，如下输出所示：

$ cargo run
   Compiling variables v0.1.0 (file:///projects/variables)
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 `variables` due to previous error
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这个例子展示了编译器如何帮助你找出程序中的错误。虽然编译错误令人沮丧，但那只是表示程序不能安全的完成你想让它完成的工作；并 不能 说明你不是一个好程序员！经验丰富的 Rustacean 们一样会遇到编译错误。

错误信息指出错误的原因是 不能对不可变变量 x 二次赋值（cannot assign twice to immutable variable x ），因为你尝试对不可变变量 x 赋第二个值。

在尝试改变预设为不可变的值时，产生编译时错误是很重要的，因为这种情况可能导致 bug。如果一部分代码假设一个值永远也不会改变，而另一部分代码改变了这个值，第一部分代码就有可能以不可预料的方式运行。不得不承认这种 bug 的起因难以跟踪，尤其是第二部分代码只是 有时 会改变值。

Rust 编译器保证，如果声明一个值不会变，它就真的不会变，所以你不必自己跟踪它。这意味着你的代码更易于推导。

不过可变性也是非常有用的，可以用来更方便地编写代码。尽管变量默认是不可变的，你仍然可以在变量名前添加 mut 来使其可变，正如在第二章所做的那样。mut 也向读者表明了其他代码将会改变这个变量值的意图。

例如，让我们将 src/main.rs 修改为如下代码：

文件名：src/main.rs

fn main() {
    let mut x = 5;
    println!("The value of x is: {x}");
    x = 6;
    println!("The value of x is: {x}");
}
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现在运行这个程序，出现如下内容：

$ cargo run
   Compiling variables v0.1.0 (file:///projects/variables)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.30s
     Running `target/debug/variables`
The value of x is: 5
The value of x is: 6
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通过 mut，允许把绑定到 x 的值从 5 改成 6。是否让变量可变的最终决定权仍然在你，取决于在某个特定情况下，你是否认为变量可变会让代码更加清晰明了。

常量

类似于不可变变量，常量 (constants) 是绑定到一个名称的不允许改变的值，不过常量与变量还是有一些区别。

首先，不允许对常量使用 mut。常量不光默认不可变，它总是不可变。声明常量使用 const 关键字而不是 let，并且 必须 注明值的类型。在下一部分，“数据类型” 中会介绍类型和类型注解，现在无需关心这些细节，记住总是标注类型即可。

常量可以在任何作用域中声明，包括全局作用域，这在一个值需要被很多部分的代码用到时很有用。

最后一个区别是，常量只能被设置为常量表达式，而不可以是其他任何只能在运行时计算出的值。

下面是一个声明常量的例子：

const THREE_HOURS_IN_SECONDS: u32 = 60 * 60 * 3;
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常量的名称是 THREE_HOURS_IN_SECONDS，它的值被设置为 60（一分钟内的秒数）乘以 60（一小时内的分钟数）再乘以 3（我们在这个程序中要计算的小时数）的结果。Rust 对常量的命名约定是在单词之间使用全大写加下划线。编译器能够在编译时计算一组有限的操作，这使我们可以选择以更容易理解和验证的方式写出此值，而不是将此常量设置为值 10,800。有关声明常量时可以使用哪些操作的详细信息，请参阅 Rust Reference 的常量求值部分。

在声明它的作用域之中，常量在整个程序生命周期中都有效，此属性使得常量可以作为多处代码使用的全局范围的值，例如一个游戏中所有玩家可以获取的最高分或者光速。

将遍布于应用程序中的硬编码值声明为常量，能帮助后来的代码维护人员了解值的意图。如果将来需要修改硬编码值，也只需修改汇聚于一处的硬编码值。

隐藏

正如在第二章猜数字游戏中所讲，我们可以定义一个与之前变量同名的新变量。Rustacean 们称之为第一个变量被第二个 隐藏（Shadowing） 了，这意味着当您使用变量的名称时，编译器将看到第二个变量。实际上，第二个变量“遮蔽”了第一个变量，此时任何使用该变量名的行为中都会视为是在使用第二个变量，直到第二个变量自己也被隐藏或第二个变量的作用域结束。可以用相同变量名称来隐藏一个变量，以及重复使用 let 关键字来多次隐藏，如下所示：

文件名：src/main.rs

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}");
}
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这个程序首先将 x 绑定到值 5 上。接着通过 let x = 创建了一个新变量 x，获取初始值并加 1，这样 x 的值就变成 6 了。然后，在使用花括号创建的内部作用域内，第三个 let 语句也隐藏了 x 并创建了一个新的变量，将之前的值乘以 2，x 得到的值是 12。当该作用域结束时，内部 shadowing 的作用域也结束了，x 又返回到 6。运行这个程序，它会有如下输出：

$ cargo run
   Compiling variables v0.1.0 (file:///projects/variables)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.31s
     Running `target/debug/variables`
The value of x in the inner scope is: 12
The value of x is: 6
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隐藏与将变量标记为 mut 是有区别的。当不小心尝试对变量重新赋值时，如果没有使用 let 关键字，就会导致编译时错误。通过使用 let，我们可以用这个值进行一些计算，不过计算完之后变量仍然是不可变的。

mut 与隐藏的另一个区别是，当再次使用 let 时，实际上创建了一个新变量，我们可以改变值的类型，并且复用这个名字。例如，假设程序请求用户输入空格字符来说明希望在文本之间显示多少个空格，接下来我们想将输入存储成数字（多少个空格）：

    let spaces = "   ";
    let spaces = spaces.len();
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第一个 spaces 变量是字符串类型，第二个 spaces 变量是数字类型。隐藏使我们不必使用不同的名字，如 spaces_str 和 spaces_num；相反，我们可以复用 spaces 这个更简单的名字。然而，如果尝试使用 mut，将会得到一个编译时错误，如下所示：

    let mut spaces = "   ";
    spaces = spaces.len();
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这个错误说明，我们不能改变变量的类型：

$ cargo run
   Compiling variables v0.1.0 (file:///projects/variables)
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`

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `variables` due to previous error
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现在我们已经了解了变量如何工作，让我们看看变量可以拥有的更多数据类型。

3.2数据类型

在 Rust 中，每一个值都属于某一个 数据类型（data type），这告诉 Rust 它被指定为何种数据，以便明确数据处理方式。我们将看到两类数据类型子集：标量（scalar）和复合（compound）。

记住，Rust 是 静态类型（statically typed）语言，也就是说在编译时就必须知道所有变量的类型。根据值及其使用方式，编译器通常可以推断出我们想要用的类型。当多种类型均有可能时，比如第二章的 “比较猜测的数字和秘密数字” 使用 parse 将 String 转换为数字时，必须增加类型注解，像这样：

let guess: u32 = "42".parse().expect("Not a number!");
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如果不像上面的代码这样添加类型注解 : u32，Rust 会显示如下错误，这说明编译器需要我们提供更多信息，来了解我们想要的类型：

$ cargo build
   Compiling no_type_annotations v0.1.0 (file:///projects/no_type_annotations)
error[E0282]: type annotations needed
 --> src/main.rs:2:9
  |
2 |     let guess = "42".parse().expect("Not a number!");
  |         ^^^^^
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help: consider giving `guess` an explicit type
  |
2 |     let guess: _ = "42".parse().expect("Not a number!");
  |              +++

For more information about this error, try `rustc --explain E0282`.
error: could not compile `no_type_annotations` due to previous error
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你会看到其它数据类型的各种类型注解。

标量类型

标量（scalar）类型代表一个单独的值。Rust 有四种基本的标量类型：整型、浮点型、布尔类型和字符类型。你可能在其他语言中见过它们。让我们深入了解它们在 Rust 中是如何工作的。

整型

整数 是一个没有小数部分的数字。我们在第二章使用过 u32 整数类型。该类型声明表明，它关联的值应该是一个占据 32 比特位的无符号整数（有符号整数类型以 i 开头而不是 u）。表格 3-1 展示了 Rust 内建的整数类型。我们可以使用其中的任一个来声明一个整数值的类型。

表格 3-1: Rust 中的整型

每一个变体都可以是有符号或无符号的，并有一个明确的大小。有符号 和 无符号 代表数字能否为负值，换句话说，这个数字是否有可能是负数（有符号数），或者永远为正而不需要符号（无符号数）。这有点像在纸上书写数字：当需要考虑符号的时候，数字以加号或减号作为前缀；然而，可以安全地假设为正数时，加号前缀通常省略。有符号数以补码形式（two’s complement representation） 存储。

每一个有符号的变体可以储存包含从 -(2n - 1) 到 2n - 1 - 1 在内的数字，这里 n 是变体使用的位数。所以 i8 可以储存从 -(27) 到 27 - 1 在内的数字，也就是从 -128 到 127。无符号的变体可以储存从 0 到 2n - 1 的数字，所以 u8 可以储存从 0 到 28 - 1 的数字，也就是从 0 到 255。

另外，isize 和 usize 类型依赖运行程序的计算机架构：64 位架构上它们是 64 位的，32 位架构上它们是 32 位的。

可以使用表格 3-2 中的任何一种形式编写数字字面值。请注意可以是多种数字类型的数字字面值允许使用类型后缀，例如 57u8 来指定类型，同时也允许使用 _ 做为分隔符以方便读数，例如1_000，它的值与你指定的 1000 相同。

表格 3-2: Rust 中的整型字面值

那么该使用哪种类型的数字呢？如果拿不定主意，Rust 的默认类型通常是个不错的起点，数字类型默认是 i32。isize 或 usize 主要作为某些集合的索引。

整型溢出

比方说有一个 u8 ，它可以存放从零到 255 的值。那么当你将其修改为 256 时会发生什么呢？这被称为 “整型溢出”（“integer overflow” ），这会导致以下两种行为之一的发生。当在 debug 模式编译时，Rust 检查这类问题并使程序 panic，这个术语被 Rust 用来表明程序因错误而退出。第九章 “panic! 与不可恢复的错误” 部分会详细介绍 panic。

使用 --release flag 在 release 模式中构建时，Rust 不会检测会导致 panic 的整型溢出。相反发生整型溢出时，Rust 会进行一种被称为二进制补码 wrapping（two’s complement wrapping）的操作。简而言之，比此类型能容纳最大值还大的值会回绕到最小值，值 256 变成 0，值 257 变成 1，依此类推。程序不会 panic，不过变量可能也不会是你所期望的值。依赖整型溢出 wrapping 的行为被认为是一种错误。

为了显式地处理溢出的可能性，可以使用这几类标准库提供的原始数字类型方法：

• 所有模式下都可以使用 wrapping_* 方法进行 wrapping，如 wrapping_add
• 如果 checked_* 方法出现溢出，则返回 None值
• 用 overflowing_* 方法返回值和一个布尔值，表示是否出现溢出
• 用 saturating_* 方法在值的最小值或最大值处进行饱和处理

浮点型

Rust 也有两个原生的 浮点数（floating-point numbers）类型，它们是带小数点的数字。Rust 的浮点数类型是 f32 和 f64，分别占 32 位和 64 位。默认类型是 f64，因为在现代 CPU 中，它与 f32 速度几乎一样，不过精度更高。所有的浮点型都是有符号的。

这是一个展示浮点数的实例：

文件名：src/main.rs

fn main() {
    let x = 2.0; // f64

    let y: f32 = 3.0; // f32
}
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浮点数采用 IEEE-754 标准表示。f32 是单精度浮点数，f64 是双精度浮点数。

数值运算

Rust 中的所有数字类型都支持基本数学运算：加法、减法、乘法、除法和取余。整数除法会向下舍入到最接近的整数。下面的代码展示了如何在 let 语句中使用它们：

文件名：src/main.rs

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; // 结果为 -1

    // remainder
    let remainder = 43 % 5;
}
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这些语句中的每个表达式使用了一个数学运算符并计算出了一个值，然后绑定给一个变量。附录 B 包含 Rust 提供的所有运算符的列表。

布尔型

正如其他大部分编程语言一样，Rust 中的布尔类型有两个可能的值：true 和 false。Rust 中的布尔类型使用 bool 表示。例如：

文件名：src/main.rs

fn main() {
    let t = true;

    let f: bool = false; // with explicit type annotation
}
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使用布尔值的主要场景是条件表达式，例如 if 表达式。在 “控制流”（“Control Flow”） 部分将介绍 if 表达式在 Rust 中如何工作。

字符类型

Rust 的 char 类型是语言中最原生的字母类型。下面是一些声明 char 值的例子：

文件名：src/main.rs

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