一天一门编程语言Rust 语言程序设计极简教程

Posted 2023-03-07 禅与计算机程序设计艺术

文章目录

• Rust 语言程序设计极简教程
• 介绍
• 安装 Rust
• Hello, World
• 基础语法
• • 变量及数据类型
  • 控制结构
  • • `if` 语句
    • `while` 语句
    • `for` 语句
  • 函数
  • 泛型
  • • 泛型的语法
    • 泛型的应用
  • Trait
  • • Trait的定义
    • Trait的实现
    • Trait的继承
  • 模式匹配
  • • 模式匹配的语法
    • 模式匹配的特性
  • Rust 语言模块和结构体
  • • 什么是结构体
    • 实例化结构体
    • 结构体的方法
    • 结构体的模式匹配
    • 结构体的作用
  • Rust 语言智能指针
  • • 一、Rust 中什么是智能指针
    • 二、Rust 中智能指针的种类
    • • 1. Rc<T>
      • 2. RefCell<T>
      • 3. Box<T>
    • 三、Rust 智能指针的使用
    • • 1. Rc<T> 的使用
      • 2. RefCell<T> 的使用
      • 3. Box<T> 的使用
    • 四、Rust 智能指针的优缺点
    • • 优点
      • 缺点
  • Rust 语言异步编程代码实例
  • • 什么是异步编程
    • Rust 的异步编程实现
    • • 使用 Future API 的示例
    • 使用 async/await 语法
    • 小结
  • 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
    • 2. Rust 语言实现斐波那契数列的循环方法
    • 3. Rust 语言实现斐波那契数列的递归方法

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：

# Linux
curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

# MacOS
curl 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：

fn main() 
    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：

fn main() 
    // 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：

let mut 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：

let mut 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：

fn add(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：

fn foo<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：

fn foo<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：

fn foo(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：

fn foo_i32(x: i32) -> i32 
    x


fn foo_f32(x: f32) -> f32 
    x


fn foo_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：

fn foo<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：

fn max<T: PartialOrd>(arr: &[T]) -> &T 
    let mut 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：

trait Foo 
    // 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：

trait ToString 
    fn to_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：

fn to_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：

trait ToStringPlus: ToString 
    fn to_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：

impl ToStringPlus for i32 
    fn to_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：

enum Color 
    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：

use std::rc::Rc;

fn main() 
    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：

use std::cell::RefCell;

fn main() 
    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：

use std::boxed::Box;

fn main() 
    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：

use std::future::Future;

fn run_async<F>(f: F)
where
    F: Future<Output = ()> + 'static,

    // 创建一个新的线程来运行 Future
    std::thread::spawn(|| f.await);


fn main() 
    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：

async fn run_async() 
    // 这里是异步任务的代码


fn main() 
    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：

fn fibonacci_loop(n: u32) -> u32 
    let mut a = 0;
    let mut b = 1;
    for _ in 0..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：

fn fibonacci_rec(n: u32) -> u32 
    if n == 0 
        return 0;
    
    if n == 1 
        return 1;
    
    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。