Rust编程——开头欢迎来到《Rust编程》。你的Rust超级高速之旅从这里开始。系好安全带，准备好享受一段充满学习与

欢迎来到《Rust编程》。

你的Rust超级高速之旅从这里开始。系好安全带，准备好享受一段充满学习与探索的精彩旅程。在这段旅程中，你将揭示Rust的优势，以及这门语言如何积极地改变现代编程语言的认知。每个旅程的阶段都会探讨Rust语言的不同领域。通过这种方式，你将全面了解这门语言，成为一名Rustacean——一个专业的Rust开发者，并且希望成为不断壮大的Rust社区的活跃成员。

本章的目标包括以下内容：

提供Rust的概述和描述
审视Rust的编程风格
列举Rust的众多优势
确定并解释Rust术语
审视Rust应用的关键要素
创建你的第一个Rust程序

引言

Rust是一种通用编程语言，旨在创建安全、可靠且可扩展的应用程序。这门语言融合了多种编程范式的特点，如下文所述。Rust最初是作为一种系统编程语言设计的，但它已经发展成为一种多用途语言，能够创建各种类型的应用，包括系统编程、Web服务、桌面应用、嵌入式系统等。尽管这听起来有些陈词滥调，但你用Rust能够实现的东西，唯有你的想象力能限制它。

不同！ 这正是Rust的准确描述。虽然Rust的语法基于C和C++语言，但它与其他C语言家族的语言的相似性通常也就止步于此。而且，Rust并非仅仅为了与众不同而不同，它的不同有着明确的目的。

Rust的借用检查器就是一个具有目的的不同的典型例子。借用检查器是Rust中的一项独特功能，它通过强制执行与单一所有权原则相关的规则，促进安全的编码实践。没有其他语言具备这种特性。因此，借用检查器对于许多开发者来说是一个陌生的概念，但它无疑是极为宝贵的。

在许多方面，Rust代表了“经验教训”。Rust中的一些独特功能，是从其他语言的经验教训或失败中汲取的。Rust愿意在必要时偏离常规，是这门语言的一个重要特征。例如，许多编程语言在有效的内存管理上存在困难，而Rust的所有权特性正是为了实现有效的内存管理。

说实话，学习Rust有时可能会让人感到沮丧。它需要投入时间，也需要一些脑细胞的牺牲。然而，你会发现，学习Rust的投资是完全值得的。例如，学会如何与借用检查器合作，而不是与之对抗，是极其宝贵的。

我写这本书的目标是增加Rustacean的数量——即在Rust编程语言方面具备高水平熟练度的人。我希望你能凭借新掌握的语言技能，成为Rust社区的活跃成员。现在，你已经正式开始了成为Rustacean的旅程。

函数式编程

Rust拥抱多种编程范式，包括函数式编程、表达式导向编程和模式导向编程。让我们从函数式编程开始，探索这些不同的编程范式。由于本书的重点是Rust，我将仅对这些编程模型做简要回顾。

什么是函数式编程？它是一种编程模型，其中函数是语言的基本构建块。在函数式编程中，函数是一级公民。你可以像使用变量一样使用函数：它可以是局部变量、函数参数，或者作为函数的返回值。函数甚至可以对其他函数执行操作，这就是所谓的高阶函数。

Rust是轻量级的函数式编程语言。它并不包含函数式编程中的所有特性，如惰性求值、声明式编程风格、尾调用优化等。然而，Rust确实支持一种函数式编程风格。

函数式编程语言通常会限制过程式编程能力，例如全局函数。由于它们并不冲突，Rust允许过程式编程和函数式编程风格的混合使用。

纯函数是函数式编程的核心。在函数式编程中，纯函数是完全通过其函数接口描述的。函数参数与特定的返回值之间有直接的关联，并且没有副作用。此外，纯函数的结果应该是可重复的。例如，一个依赖于内部随机数的函数，其结果无法预测，这就不是纯函数。

不可变性是函数式编程的重要组成部分，也是Rust的核心理念之一。例如，纯函数在很大程度上依赖不可变状态，以消除副作用。指针、全局变量和引用通常会被排除在纯函数之外，以避免从函数中泄漏的副作用。

总结来说，函数式编程提供了几个好处：

增强的灵活性，函数作为一级公民
更高的透明度，关注函数而非单独的代码行
不可变性，通过消除函数中的副作用，简化程序的维护，避免常见问题

表达式导向

Rust也是一种表达式导向的语言，这是一种编程风格，在这种风格中，大多数操作都是表达式，它们返回一个值，而不是像语句那样什么也不返回。表达式导向编程与函数式编程非常相似，所有的函数式编程语言也是表达式导向语言。

那么，什么是语句，什么是表达式呢？

语句不返回值，但它们可能会导致副作用。副作用的种类几乎是无限的，包括数据库操作或更新共享变量。事实上，有些语句的目的是为了产生副作用。

表达式是一个或多个操作，它们返回一个值，并且副作用最小，甚至没有副作用。纯函数就是表达式的例子。

在Rust中，表达式是首选，即使是控制流语句，如if和while语句，实际上也是表达式。

表达式导向编程的许多好处包括：

没有副作用，表达式导向的程序更易于维护。
表达式的值通过其接口完全定义，使得表达式更具透明性。
由于表达式是由接口驱动的，它们更容易进行测试。
表达式导向编程使得文档编写更容易。没有副作用的表达式可以作为文档的替代。
表达式更容易组合。
能够结合多种编程范式是Rust的另一个优势。

代码示例 1.1 展示了在Rust中同时使用函数式和表达式导向编程的例子。阶乘函数是一个没有副作用的纯函数。作为表达式，阶乘函数返回阶乘计算的结果。

代码清单 1.1 阶乘是一个纯函数和表达式。

fn factorial(n:i32) -> i32 {
    match n {
        0..=1 => 1,
        _ => n * factorial(n - 1),
    }
}

模式导向

通常，在Rust的专业编程中，模式有着广泛的应用。可以说，模式在Rust编程中无处不在。这种对模式匹配的支持是Rust编程风格独特性的一个重要因素。与C++或Java等语言相比，Rust的源代码看起来确实不同！

模式匹配通常与switch语句相关联。例如，C++、Java、Go等语言都有switch语句。这是基于字符串或整数表达式的单维模式匹配。而在Rust中，模式匹配被扩展到用户定义类型和序列的实例。

Rust使用match表达式，而不是switch语句。然而，模式导向编程远不止match表达式。在Rust中，每个表达式的实例都是进行模式匹配的机会。例如，即使是简单的赋值或条件表达式，也可能触发模式匹配。这为重新构思代码提供了有趣的方式。

Rust中的模式导向编程提供了几个好处：

Rust中的模式非常富有表现力，使你能够将复杂的代码简化为更简单的表达式。
在Rust中，模式导向编程是表达式导向编程的一个补充模型。
Rust支持全面的模式匹配，这使得程序更可靠，错误更少。

display_firstname函数展示了模式匹配的用法，如代码清单 1.2所示。函数的参数name是一个元组，元组的字段分别是last和first。在match表达式中，使用模式来解构元组，提取出名字并打印。

代码清单 1.2 display_firstname函数展示了名字。

fn display_firstname(name:(&str, &str)) {
    match name {
        (_, first) => println!("{}", first),
    }
}

特性

在最近的多项调查中，Rust被专业开发人员频繁选择为他们最喜爱的编程语言。这一认可的很大一部分与Rust的独特特性有关。

让我们来探索那些构成Rust及其流行度的核心特性。

安全性

安全性是一个重要的跨领域特性，几乎涉及语言的所有方面。安全代码是稳健的、可预测的，并且不容易出现意外错误。凭借这些特性，Rust提供了一个坚实的基础，开发者可以在此基础上自信地构建应用程序。不可变变量、单一所有权原则以及其他特性都为这一目标做出了贡献。

此外，Rust在编译时强制执行安全编码实践。所有权模型和借用检查器就是这一方法的完美示例。在编译时，借用检查器会进行一系列检查，包括所有权检查。如果所有权检查失败，借用检查器会给出解释，编译过程就无法成功完成。

以下是Rust中实现安全代码的一些因素：

不可变性是默认设置，这可以防止无意中的修改。
强制正确的生命周期，避免反模式，如悬空引用。
引用的安全指针。
对于变长资源（如向量），采用“资源获取即初始化”（RAII）策略，确保可靠的内存管理。

所有权

所有权特性通过单一所有者原则提供了安全的内存访问。这个原则规定每个变量有且只有一个所有者，且不允许有多个所有者。

这种方法防止了内存共享所有权的问题。竞态条件、不稳定的变量和悬空引用是通过这种方法避免的潜在问题。本书稍后会介绍一些允许共享所有权的例外情况。

让我们用一个汽车的类比来展示单一所有者原则。基本情况是：有一辆车，Bob是它唯一的所有者。

接下来是两个场景：

Bob拥有这辆车。
Ari偶尔想开这辆车。

作为车主，Bob随时可以开车，除非他把车借给了别人。如果有人（如Ari）想开车，Bob必须要么卖车给Ari，要么把车借给Ari。无论哪种方式，Bob都失去了对这辆车的所有权，至少是暂时的。

如果Bob把车借给Ari，步骤如下：

Bob开车。
Bob把车借给Ari。Ari开车。当Ari开完后，把车还给Bob。
Bob开车。

借用检查器负责在编译时强制执行正确的所有权管理，包括借用。我们将在本书后面解开借用检查器的谜团，目标是让借用检查器成为你的好朋友。

生命周期

生命周期是Rust的一个特性，防止访问不再可用的值。在Rust中，引用是基本的指针。如果允许不正确地访问已经被丢弃的值，可能会导致悬空引用和潜在的程序崩溃。这样会导致应用程序的不稳定性和不可预测性。Rust通过生命周期模型消除了这个问题。

借用检查器管理生命周期。在编译时，你会收到无效生命周期的通知。这类问题最好在编译时被隔离，而不是在运行时暴露出来。

当生命周期存在歧义时，生命周期注解为借用检查器提供了正确生命周期的提示。如果生命周期的判断是显而易见的，生命周期注解是可选的，借用检查器会自动推导。这叫做生命周期省略。

生命周期特性的好处是提供了一个稳定的内存环境，避免了悬空引用的风险。

无畏并发

无畏并发是Rust的一个重要特性，值得列入主要特性之一。无畏并发为并发编程提供了一个安全的环境。在许多方面，这个安全环境得益于前面提到的特性。例如，Rust的所有权模型在很大程度上消除了并发编程中的竞态条件。

当从顺序编程过渡到并发编程时，通常会进行所谓的硬化过程，以确保多线程代码的安全环境。移除全局变量（作为共享数据）通常是硬化过程中的一步。无畏并发消除了硬化过程的需求。

并发编程常常被认为是编程中的“鬼怪”。它可能增加复杂性，使应用程序变得更难维护。最糟糕的是，并发编程中的问题通常直到运行时才会被发现。无畏并发为并发编程创造了一个更安全的环境。

零开销抽象

零开销抽象是Rust的一个特性。是的，你没看错。因此，它是这里提到的最后一个特性。零开销抽象的政策是，Rust的特性应该在可避免的情况下，不会在运行时引入性能开销。

代际垃圾回收是多个流行的托管语言（如Java、C#和Go）管理动态内存的内在特性。垃圾回收可能是代价高昂且非确定性的。因此，你无法预测垃圾回收何时发生。与之相比，Rust没有垃圾回收模型。完全没有！如本章前面所述，所有权提供了确定性的内存管理，而没有额外开销。这就是零开销抽象的一个例子。

Rust术语

许多技术，包括编程语言，都有自己的术语。熟悉这些术语可以帮助你在与同行或更广泛的Rust社区成员交流时更加得心应手。

对于Rust来说，其核心术语是crate，即“运输箱”。以下是Rust中的一些重要术语，它们将帮助你理解并使用Rust语言。

Rust：我们先从最重要的术语开始：“Rust”本身。Rust不是一个首字母缩略词，也不是一个特殊的技术术语。Rust这个名字来源于“铁锈菌”（rust fungi），它是一种强大的病原体，攻击活的植物。

Rust的原设计者Graydon Hoare曾说过：“我想我给它起名叫Rust是因为菌类。铁锈菌是非常神奇的生物。”
Crate：在Rust中，crate是编译单元。常见的crate包括可执行文件、库文件和外部crate。
- 可执行crate：可执行crate是一个独立的二进制可执行文件，可以独立于其他crate启动。
- 库crate：库crate提供服务给其他crate，并不能独立执行。
- 外部crate：外部crate是外部依赖。例如，Crate A引用了Crate B，但Crate B并不在同一个包中，因此Crate B是Crate A的外部crate或依赖。
Packages（包） ：一个package由多个crate组成，提供一个特定的服务。一个package可以由多个可执行crate组成，并且可能包含一个库crate。
Modules（模块） ：在Rust中，module类似于其他编程语言中的命名空间。你可以使用模块在crate内部创建层次化的程序结构。模块也有助于避免名称冲突。
Cargo：Rust中有多个与cargo相关的实体，这扩展了crate的主题（cargo即在crate中）。
- Cargo工具：Cargo工具是Rust的包管理器。
- Cargo.toml：Cargo.toml文件是Rust的清单和配置文件。
- Cargo.lock：Cargo.lock文件记录了所有依赖项及其具体版本。
- RS：RS（Rust源代码）是Rust源代码文件的扩展名。

图1.1展示了Rust中各种元素之间的相互关系。

工具

Rust开发环境提供了多种工具，涵盖了从编译Rust源代码到发布crate的各项服务。理解这些工具将提升你的生产力。这里列出的只是一些重要的Rust工具，书中将介绍更多的工具。

以下是一些重要的Rust工具：

Rustup工具：Rustup工具是Rust的安装器，它还安装工具链。你可以通过rustup.rs下载Rust安装器，并按照网站上的说明成功安装Rust。
Cargo工具：Cargo是一个多功能工具，主要的角色是包管理器。它还提供编译代码、格式化源代码和创建新crate等辅助功能。

下面是一个使用Cargo创建库crate的命令：
```
cargo new --lib mylib
```
Rustc工具：Rustc是Rust的编译器。Rustc可以将Rust源文件（.rs）编译成可执行文件或库二进制文件。

下面是使用Rustc编译一个简单crate的命令：
```
rustc source.rs
```
Rustdoc工具：Rustdoc工具将嵌入在Rust源文件中的文档注释编译成帮助文档，输出为HTML格式。
Clippy工具：Clippy是一个全面的测试工具，包含多个lints（静态代码检查器）。它帮助识别常见问题和最佳实践，从而优化你的代码。
Rustfmt工具：Rustfmt工具用于重新格式化源文件，使其遵循Rust的风格指南。

在Rust环境中，Cargo是核心工具。你可以使用Cargo来完成许多维护环境和包的任务。

关于安全性的说明

在我们现在所处的这个注重安全的世界中，安全编码实践已成为一项必要的要求。几乎没有应用程序能够完全免于安全考虑。在现代计算时代，应用程序无处不在，包括移动设备、物联网设备、可穿戴设备、企业环境和云计算。这大大增加了安全失败的潜在影响。

Rust提供了一个安全的编码环境，减少了攻击面，使得使用Rust进行开发本质上更为安全。攻击者可以识别并可能利用的漏洞更少。

总结

本章介绍了与Rust相关的软件编程范式以及其众多显著特性。

这些不同编程范式的可用性提供了灵活性，并且采用了一种"最佳实践"的方式。以下Rust特性与各种编程模型相辅相成，定义了语言的重要属性：

安全性（Safeness）
所有权（Ownership）
生命周期（Lifetimes）
可靠的并发（Trustworthy Concurrency）
零成本抽象（Zero-cost Abstraction）

现在，你已经对Rust及其工具链有了基础的了解。在下一章，你将完成你的第一个Rust应用程序，并进一步探索重要工具，如Rustc和Cargo。