Rust 编程语言

数据类型

Rust 中的每个值都属于某个特定的数据类型，它告诉 Rust 指定的是哪种数据，以便 Rust 知道如何使用该数据。我们将研究两个数据类型子集：标量和复合。

请记住，Rust 是一种静态类型语言，这意味着它必须在编译时知道所有变量的类型。编译器通常可以根据值以及我们如何使用它来推断我们想要使用的类型。在存在多种类型可能的情况下，例如，当我们在第 2 章的“将猜测与秘密数字进行比较”部分中使用 parse 将 String 转换为数字类型时，我们必须添加类型注释，如下所示

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

如果我们不添加前面代码中显示的 : u32 类型注释，Rust 将显示以下错误，这意味着编译器需要我们提供更多信息才能知道我们想使用的类型

$ 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

你会看到其他数据类型的不同类型注释。

标量类型

标量类型表示单个值。Rust 有四种主要的标量类型：整数、浮点数、布尔值和字符。你可能在其他编程语言中见过它们。让我们深入了解它们在 Rust 中是如何工作的。

整数类型

整数是不带小数部分的数字。我们在第 2 章中使用了整数类型 u32。此类型声明表示与其关联的值应为无符号整数（有符号整数类型以 i 而不是 u 开头），占用 32 位空间。表 3-1 显示了 Rust 中内置的整数类型。我们可以使用这些变体中的任何一种来声明整数值的类型。

表 3-1：Rust 中的整数类型

每个变体都可以是有符号或无符号的，并且具有明确的大小。有符号和无符号是指数字是否可能为负数，换句话说，数字是否需要带符号（有符号），或者它是否只会是正数，因此可以不带符号表示（无符号）。这就像在纸上写数字一样：当符号重要时，数字会显示加号或减号；但是，当可以安全地假设数字为正数时，它不带符号显示。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 （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的计算机的架构，在表中表示为“arch”：如果你使用的是 64 位架构，则为 64 位；如果你使用的是 32 位架构，则为 32 位。

你可以使用表 3-2 中显示的任何形式编写整数文字。请注意，可以为多种数字类型的数字文字允许类型后缀，例如 57u8，以指定类型。数字文字也可以使用 _ 作为视觉分隔符，使数字更易于阅读，例如 1_000，其值与你指定 1000 时相同。

表 3-2：Rust 中的整数文字

那么如何知道要使用哪种整数类型呢？如果你不确定，Rust 的默认值通常是不错的起点：整数类型默认为 i32。使用 isize 或 usize 的主要情况是在索引某种集合时。

浮点类型

Rust 还有两种用于浮点数的原始类型，它们是带有小数点的数字。Rust 的浮点类型是 f32 和 f64，它们的大小分别为 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，但能够提供更高的精度。所有浮点类型都是有符号的。

这是一个显示浮点数实际操作的示例

文件名：src/main.rs

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

    let y: f32 = 3.0; // f32
}

浮点数根据 IEEE-754 标准表示。f32 类型是单精度浮点数，f64 具有双精度。

数值运算

Rust 支持你对所有数字类型都期望的基本数学运算：加法、减法、乘法、除法和求余。整数除法截断为最接近的零的整数。以下代码显示了如何在 let 语句中使用每个数值运算

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一个数学运算符，并计算为一个值，然后该值绑定到一个变量。 附录 B包含 Rust 提供的所有运算符的列表。

布尔类型

与大多数其他编程语言一样，Rust 中的布尔类型具有两个可能的值：true 和 false。布尔值的大小为一个字节。Rust 中的布尔类型使用 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语句，例如 if 表达式。我们将在 “控制流”部分中介绍 if 表达式在 Rust 中是如何工作的。

字符类型

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 文字，而不是使用双引号的字符串文字。Rust 的 char 类型大小为四个字节，并表示 Unicode 标量值，这意味着它可以表示的不仅仅是 ASCII。带重音的字母；中文、日语和韩语字符；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。但是，“字符”并不是 Unicode 中的概念，因此你对“字符”的人类直觉可能与 Rust 中 char 的定义不符。我们将在第 8 章的“使用字符串存储 UTF-8 编码的文本”中详细讨论此主题。

复合类型

复合类型可以将多个值分组为一个类型。Rust 有两种原始的复合类型：元组和数组。

元组类型

元组是一种将多个类型不同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元组。元组中的每个位置都具有类型，并且元组中不同值的类型不必相同。我们在本例中添加了可选的类型注释

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，因为元组被认为是单个复合元素。要从元组中获取各个值，我们可以使用模式匹配来解构元组值，如下所示

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}");
}

此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 的模式来获取 tup 并将其转换为三个单独的变量 x、y 和 z。这被称为解构，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。

我们还可以通过使用句点 (.) 后跟我们要访问的值的索引来直接访问元组元素。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;
}

此程序创建元组 x，然后使用它们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为 0。

没有任何值的元组有一个特殊的名称，即unit。此值及其对应的类型都写为 ()，表示空值或空返回类型。如果表达式不返回任何其他值，则会隐式返回 unit 值。

数组类型

拥有多个值的集合的另一种方法是使用数组。与元组不同，数组的每个元素都必须具有相同的类型。与某些其他语言中的数组不同，Rust 中的数组具有固定的长度。

我们在方括号内将数组中的值写为逗号分隔的列表

文件名：src/main.rs

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

当你希望将数据分配到堆栈上时，数组很有用，这与我们到目前为止看到的其他类型相同，而不是堆（我们将在第 4 章中更多地讨论堆栈和堆））或者当你想要确保你始终拥有固定数量的元素时。不过，数组不如 `vector` 类型灵活。vector 是标准库提供的类似的集合类型，它允许在大小上增长或缩小。如果你不确定是使用数组还是 vector，那么你很可能应该使用 vector。第 8 章会更详细地讨论 vector。

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的名称，你可能会使用数组而不是 vector，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"];
}

你可以使用方括号来编写数组的类型，其中包含每个元素的类型，一个分号，然后是数组中元素的数量，就像这样

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

这里，i32 是每个元素的类型。在分号之后，数字 5 表示该数组包含五个元素。

你还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，它们都将在初始时设置为值 3。这与编写 let a = [3, 3, 3, 3, 3]; 相同，但更简洁。

访问数组元素

数组是可以在堆栈上分配的已知固定大小的单块内存。你可以使用索引访问数组的元素，如下所示

文件名：src/main.rs

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

    let first = a[0];
    let second = a[1];
}

在这个例子中，名为 first 的变量将获得值 1，因为它是数组中索引 [0] 的值。名为 second 的变量将从数组中的索引 [1] 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。假设你运行以下代码，类似于第 2 章中的猜谜游戏，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 运行此代码并输入 0、1、2、3 或 4，程序将打印出数组中该索引对应的的值。如果你输入一个超出数组末尾的数字，例如 10，你将看到类似这样的输出

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

程序在索引操作中使用无效值时导致了运行时错误。程序退出了并显示错误消息，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 将会 panic。此检查必须在运行时发生，特别是在这种情况下，因为编译器不可能知道用户稍后运行代码时将输入什么值。

这是一个 Rust 内存安全原则在起作用的例子。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，可能会访问无效内存。Rust 通过立即退出而不是允许内存访问并继续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。