Rust 程序设计语言

数据类型

Rust 中的每个值都有一个特定的数据类型，它告诉 Rust 你指定的是哪种数据，从而知道如何处理这些数据。我们将考察两种数据类型子集：标量类型和复合类型。

记住，Rust 是一个静态类型语言，这意味着在编译时必须知道所有变量的类型。编译器通常可以根据值以及如何使用它来推断我们想要使用的类型。在多种类型皆有可能的情况下，比如在第 2 章的“比较猜测值与秘密数字”一节中，我们使用 parse 将 String 转换为数字类型时，我们必须添加类型标注，像这样：

#![allow(unused)]
fn main() {
let guess: u32 = "42".parse().expect("Not a number!");
}

如果在上面的代码中不添加 : u32 类型标注，Rust 将显示以下错误，这意味着编译器需要更多信息来知道我们想要使用哪种类型：

$ cargo build
   Compiling no_type_annotations v0.1.0 (file:///projects/no_type_annotations)
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 `no_type_annotations` (bin "no_type_annotations") due to 1 previous error

你将看到其他数据类型的不同类型标注。

标量类型

标量类型表示单个值。Rust 有四种主要的标量类型：整型、浮点型、布尔型和字符型。你可能在其他编程语言中见过这些。让我们深入了解它们在 Rust 中如何工作。

整型

整型是没有小数部分的数字。我们在第 2 章中使用了一种整型，即 u32 类型。这个类型声明表明它关联的值应该是一个无符号整型（有符号整型类型以 i 开头而不是 u），占用 32 位空间。表 3-1 展示了 Rust 中内置的整型类型。我们可以使用这些变体中的任何一种来声明整型值的类型。

表 3-1：Rust 中的整型

每个变体都可以是有符号或无符号的，并有一个明确的大小。有符号和无符号指的是数字是否可能为负——换句话说，数字是否需要带有符号（有符号），或者它是否只为正，因此可以表示为无符号。这就像在纸上写数字一样：当符号很重要时，数字会显示加号或减号；但是，当可以安全地假定数字为正时，它会显示为无符号。有符号数字使用二进制补码表示法存储。

每个有符号变体可以存储从 −(2^{n − 1}) 到 2^{n − 1} − 1（包含）的数字，其中 n 是该变体使用的位数。因此，i8 可以存储从 −(2⁷) 到 2⁷ − 1 的数字，即 −128 到 127。无符号变体可以存储从 0 到 2ⁿ − 1 的数字，因此 u8 可以存储从 0 到 2⁸ − 1 的数字，即 0 到 255。

此外，isize 和 usize 类型取决于程序运行所在的计算机架构，在表中表示为“架构”：如果你在 64 位架构上，则是 64 位；如果你在 32 位架构上，则是 32 位。

你可以用表 3-2 所示的任何形式书写整数字面量。请注意，可以表示多种数字类型的数字字面量允许使用类型后缀，例如 57u8，以指定类型。数字字面量还可以使用 _ 作为视觉分隔符，使数字更易读，例如 1_000，其值与你指定 1000 相同。

表 3-2：Rust 中的整数字面量

那么，你如何知道使用哪种整型呢？如果不确定，Rust 的默认设置通常是一个不错的起点：整型默认为 i32。你使用 isize 或 usize 的主要情况是在对某种集合进行索引时。

浮点型

Rust 也有两种用于浮点数的原始类型，即带小数点的数字。Rust 的浮点类型是 f32 和 f64，它们的大小分别是 32 位和 64 位。默认类型是 f64，因为在现代 CPU 上，它的速度与 f32 大致相同，但精度更高。所有浮点类型都是有符号的。

这是一个展示浮点数实际应用的示例：

文件名: src/main.rs

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

    let y: f32 = 3.0; // f32
}

浮点数按照 IEEE-754 标准表示。

数值运算

Rust 支持所有数字类型的基本数学运算：加、减、乘、除和取余。整除会向零截断到最接近的整数。下面的代码展示了如何在 let 语句中使用每种数值运算：

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; // Results in -1

    // remainder
    let remainder = 43 % 5;
}

这些语句中的每个表达式都使用了数学运算符，并求值得到一个单个值，然后该值被绑定到变量上。附录 B包含 Rust 提供的所有运算符列表。

布尔型

与大多数其他编程语言一样，Rust 中的布尔型有两个可能的值：true 和 false。布尔值大小为一字节。Rust 中的布尔型使用 bool 指定。例如：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let t = true;

    let f: bool = false; // with explicit type annotation
}

使用布尔值的主要方式是通过条件表达式，例如 if 表达式。我们将在“控制流”一节中介绍 if 表达式在 Rust 中如何工作。

字符型

Rust 的 char 类型是该语言最原始的字母类型。以下是一些声明 char 值的示例：

文件名: src/main.rs

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

请注意，我们使用单引号指定 char 字面量，这与使用双引号的字符串字面量不同。Rust 的 char 类型大小为四个字节，表示一个 Unicode 标量值，这意味着它可以表示比 ASCII 多得多的内容。带重音的字母、中文、日文和韩文、表情符号以及零宽度空格都是 Rust 中有效的 char 值。Unicode 标量值的范围包括 U+0000 到 U+D7FF 和 U+E000 到 U+10FFFF。然而，“字符”在 Unicode 中并不是一个真正的概念，所以你对“字符”的人类直觉可能与 Rust 中的 char 不符。我们将在第 8 章的“使用字符串存储 UTF-8 编码文本”一节中详细讨论这个话题。

复合类型

复合类型可以将多个值组合成一个类型。Rust 有两种原始复合类型：元组和数组。

元组类型

元组是一种将多个具有不同类型的值组合成一个复合类型的通用方法。元组的长度是固定的：一旦声明，它们的大小就不能增长或缩小。

我们通过在圆括号内写入逗号分隔的值列表来创建一个元组。元组中的每个位置都有一个类型，并且元组中不同值类型不必相同。在此示例中，我们添加了可选的类型标注：

文件名: src/main.rs

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

变量 tup 绑定到整个元组，因为元组被视为一个单一的复合元素。为了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，就像这样：

文件名: src/main.rs

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 的模式来取出 tup 并将其分解为三个单独的变量：x、y 和 z。这称为解构，因为它将单个元组分解为三个部分。最后，程序打印 y 的值，即 6.4。

我们也可以直接通过使用点号（.）后跟我们要访问的值的索引来访问元组元素。例如：

文件名: src/main.rs

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;
}

该程序创建了元组 x，然后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。

不包含任何值的元组有一个特殊的名称，叫做单元。这个值及其对应的类型都写成 ()，表示一个空值或空返回类型。如果表达式不返回任何其他值，则隐式返回单元值。

数组类型

另一种包含多个值的集合方式是使用数组。与元组不同，数组中的每个元素必须具有相同的类型。与某些其他语言中的数组不同，Rust 中的数组长度是固定的。

我们将数组中的值写在方括号内，用逗号分隔：

文件名: src/main.rs

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

当你想将数据分配在栈上（与我们目前看到的其他类型一样）而不是堆上时，数组非常有用（我们将在第 4 章中更详细地讨论栈和堆），或者当你想要确保始终有固定数量的元素时。然而，数组不像向量类型那样灵活。向量是标准库提供的一种类似的集合类型，它允许大小增长或缩小。如果你不确定应该使用数组还是向量，那么很可能应该使用向量。第 8 章更详细地讨论向量。

然而，当你确定元素的数量不需要改变时，数组更有用。例如，如果你在程序中使用月份名称，你可能会使用数组而不是向量，因为你知道它总是包含 12 个元素：

#![allow(unused)]
fn main() {
let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];
}

你使用方括号来书写数组的类型，其中包含每个元素的类型、一个分号，然后是数组中的元素数量，像这样：

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

在这里，i32 是每个元素的类型。分号后面的数字 5 表示数组包含五个元素。

你也可以通过指定初始值、后跟一个分号，然后在方括号中指定数组的长度来初始化一个数组，使其包含每个元素的相同值，如下所示：

#![allow(unused)]
fn main() {
let a = [3; 5];
}

名为 a 的数组将包含 5 个元素，这些元素最初都将被设置为值 3。这与写 let a = [3, 3, 3, 3, 3]; 相同，但更加简洁。

访问数组元素

数组是已知、固定大小的单个内存块，可以分配在栈上。你可以使用索引来访问数组元素，就像这样：

文件名: src/main.rs

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 的变量将从数组中索引 [1] 处获得值 2。

无效的数组元素访问

让我们看看如果你尝试访问数组末尾之外的元素会发生什么。假设你运行这段代码（类似于第 2 章的猜数游戏），从用户那里获取数组索引：

文件名: src/main.rs

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}");
}

这段代码编译成功。如果你使用 cargo run 运行这段代码并输入 0、1、2、3 或 4，程序将打印出数组在该索引处的对应值。如果你输入的数字超出了数组末尾，例如 10，你将看到这样的输出：

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

程序在使用索引操作中的无效值时导致了运行时错误。程序带有一条错误消息退出，并且没有执行最后的 println! 语句。当你尝试使用索引访问元素时，Rust 会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。这个检查必须在运行时发生，尤其是在这种情况下，因为编译器不可能知道用户稍后运行代码时会输入什么值。

这是 Rust 内存安全原则的一个实例。在许多低级语言中，不会进行这种检查，当你提供错误的索引时，可能会访问到无效的内存。Rust 通过立即退出而不是允许内存访问并继续运行来保护你免受此类错误的侵害。第 9 章更详细地讨论了 Rust 的错误处理以及如何编写既不会 panic 也不会允许无效内存访问的可读、安全的代码。