Rust-base-learning-3

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Rust基础学习–（三）

六、流程控制

1、分支控制：if-else

用if-else赋值：

fn main() {
    let condition = true;
    let number = if condition {
        5
    } else {
        6//用if-else语句赋值的时候，不能在不同分支使用不同的变量类型，否则报错
    };

    println!("The value of number is: {}", number);
}

用if-else进行逻辑判断：

fn main() {
    let n = 6;

    if n % 4 == 0 {
        println!("number is divisible by 4");
    } else if n % 3 == 0 {
        println!("number is divisible by 3");
    } else if n % 2 == 0 {
        println!("number is divisible by 2");
    } else {
        println!("number is not divisible by 4, 3, or 2");
    }
}

2、循环控制

（1）for循环

示例：

fn main() {
    for i in 1..=5 {//在in后面往往使用集合的引用格式，如果不使用引用，会导致所有权被转移到for语句块中，后续不可以再使用该集合
        println!("{}", i);
    }
}

【对于实现了 copy 特征的数组（例如 [i32; 10]）而言， for item in arr 并不会把 arr 的所有权转移，而是直接对其进行了拷贝，因此循环之后仍然可以使用 arr 。】

如果不需要使用声明的i，也可以用如下方式控制循环：

for _ in 0..10 {
  // ...
}

总结如下：

使用方法	等价使用方式	所有权
for item in collection	for item in IntoIterator::into_iter(collection)	转移所有权
for item in &collection	for item in collection.iter()	不可变借用
for item in &mut collection	for item in collection.iter_mut()	可变借用

如果想在循环中获取元素的索引：

fn main() {
    let a = [4, 3, 2, 1];
    // `.iter()` 方法把 `a` 数组变成一个迭代器
    for (i, v) in a.iter().enumerate() {
        println!("第{}个元素是{}", i + 1, v);
    }
}

continue：跳过本次循环继续，break：跳过当前整个循环（break 可以单独使用，也可以带一个返回值，有些类似 return）。

（2）while循环

eg;

fn main() {
    let mut n = 0;

    while n <= 5  {
        println!("{}!", n);

        n = n + 1;
    }

    println!("我出来了！");
}

【for比while更安全，功能更强大，这是因为编译器增加了运行时代码来对每次while循环的每个元素进行条件检查，而，for 并不会使用索引去访问数组，因此更安全也更简洁，同时避免 运行时的边界检查，性能更高】

（3）loop循环

又称无条件循环，使用if和break跳出循环。

eg:

fn main() {
    let mut counter = 0;

    let result = loop {
        counter += 1;

        if counter == 10 {
            break counter * 2;
        }
    };

    println!("The result is {}", result);
}

七、模式匹配

1、match

eg;

enum Direction {
    East,
    West,
    North,
    South,
}

fn main() {
    let dire = Direction::South;
    match dire {
        Direction::East => println!("East"),
        Direction::North | Direction::South => {
            println!("South or North");
        },
        _ => println!("West"),
    };
}

• match 的匹配必须要穷举出所有可能，因此这里用 _ 来代表未列出的所有可能性
• match 的每一个分支都必须是一个表达式，且所有分支的表达式最终返回值的类型必须相同
• X | Y，类似逻辑运算符 或，代表该分支可以匹配 X 也可以匹配 Y，只要满足一个即可

（其实 match 跟其他语言中的 switch 非常像，_ 类似于 switch 中的 default。）

2、if let

当你只要匹配一个条件，且忽略其他条件时就用 if let ，否则都用 match。

eg：

let v = Some(3u8);
match v {
    Some(3) => println!("three"),
    _ => (),
}

3、matches!宏

Rust 标准库中提供了一个非常实用的宏：matches!，它可以将一个表达式跟模式进行匹配，然后返回匹配的结果 true or false。

enum MyEnum {
    Foo,
    Bar
}

fn main() {
    let v = vec![MyEnum::Foo,MyEnum::Bar,MyEnum::Foo];
    v.iter().filter(|x| matches!(x, MyEnum::Foo));
//对 v 进行过滤，只保留类型是 MyEnum::Foo 的元素
}

其他例子：

let foo = 'f';
assert!(matches!(foo, 'A'..='Z' | 'a'..='z'));

let bar = Some(4);
assert!(matches!(bar, Some(x) if x > 2));

【注：无论是match 还是 if let，这里都是一个新的代码块，而且这里的绑定相当于新变量，如果你使用同名变量，会发生变量遮蔽】

4、模式及其适用场景

模式是 Rust 中的特殊语法，它用来匹配类型中的结构和数据，它往往和 match 表达式联用，以实现强大的模式匹配能力。一般包括：

• 字面值
• 解构的数组、枚举、结构体或者元组
• 变量
• 通配符
• 占位符

适用场景：

• match 分支

• if let分支

• while let条件循环

• for循环

• let语句

• 函数参数

• let-else语句（新增）

  使用 let-else 匹配，即可使 let 变为可驳模式。它可以使用 else 分支来处理模式不匹配的情况，但是 else 分支中必须用发散的代码块处理（例如：break、return、panic）。

  模式：

  let PATTERN = EXPRESSION else {
      // 模式匹配失败时执行的代码
      // 必须以发散表达式（如 panic!、return、break）结束
  };

  PATTERN：要匹配的模式（如 Some(x)、(a, b) 等）。

  EXPRESSION：要匹配的值。

  else 块：模式匹配失败时执行的代码，必须以 发散表达式（diverging expression）结束（即程序控制流不会继续执行后续代码）。

  eg：

  use std::str::FromStr;
  
  fn get_count_item(s: &str) -> (u64, &str) {
      let mut it = s.split(' ');
      let (Some(count_str), Some(item)) = (it.next(), it.next()) else {
          panic!("Can't segment count item pair: '{s}'");
      };
      let Ok(count) = u64::from_str(count_str) else {
          panic!("Can't parse integer: '{count_str}'");
      };
      // error: `else` clause of `let...else` does not diverge
      // let Ok(count) = u64::from_str(count_str) else { 0 };
      (count, item)
  }
  
  fn main() {
      assert_eq!(get_count_item("3 chairs"), (3, "chairs"));
  }

  (与 match 和 if let 相比，let-else 的一个显著特点在于其解包成功时所创建的变量具有更广的作用域。在 let-else 语句中，成功匹配后的变量不再仅限于特定分支内使用)

5、全模式列表

见链接

八、方法Method

定义：使用impl来定义方法

eg：

struct Circle {
    x: f64,
    y: f64,
    radius: f64,
}
impl Circle {
    // new是Circle的关联函数，因为它的第一个参数不是self，且new并不是关键字
    // 这种方法往往用于初始化当前结构体的实例
    fn new(x: f64, y: f64, radius: f64) -> Circle {
        Circle {
            x: x,
            y: y,
            radius: radius,
        }
    }
    // Circle的方法，&self表示借用当前的Circle结构体
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
    }
}

self、&self 和 &mut self：

（python里的self其实相当于这里的&mut self）

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        rect1.area()
    );
}

在 area 的签名中，我们使用 &self 替代 rectangle: &Rectangle，&self 其实是 self: &Self 的简写（注意大小写）。在一个 impl 块内，Self 指代被实现方法的结构体类型，self 指代此类型的实例，换句话说，self 指代的是 Rectangle 结构体实例，这样的写法会让我们的代码简洁很多，而且非常便于理解：我们为哪个结构体实现方法，那么 self 就是指代哪个结构体的实例。

self 依然有所有权的概念：

• self 表示 Rectangle 的所有权转移到该方法中，这种形式用的较少
• &self 表示该方法对 Rectangle 的不可变借用
• &mut self 表示可变借用

在上面的例子中，选择 &self 的理由跟在函数中使用 &Rectangle 是相同的：我们并不想获取所有权，也无需去改变它，只是希望能够读取结构体中的数据。如果想要在方法中去改变当前的结构体，需要将第一个参数改为 &mut self。仅仅通过使用 self 作为第一个参数来使方法获取实例的所有权是很少见的，这种使用方式往往用于把当前的对象转成另外一个对象时使用，转换完后，就不再关注之前的对象，且可以防止对之前对象的误调用。

总结，使用方法代替函数有以下好处：

• 不用在函数签名中重复书写 self 对应的类型
• 代码的组织性和内聚性更强，对于代码维护和阅读来说，好处巨大

【在 Rust 中，允许方法名跟结构体的字段名相同。eg，当我们使用 rect1.width() 时，Rust 知道我们调用的是它的方法，如果使用 rect1.width，则是访问它的字段。一般来说，方法跟字段同名，往往适用于实现 getter 访问器，例如:

mod my {
    pub struct Rectangle {
        width: u32,
        pub height: u32,
    }

    impl Rectangle {
        pub fn new(width: u32, height: u32) -> Self {
            Rectangle { width, height }
        }
        pub fn width(&self) -> u32 {
            return self.width;
        }
        pub fn height(&self) -> u32 {
            return self.height;
        }
    }
}

fn main() {
    let rect1 = my::Rectangle::new(30, 50);

    println!("{}", rect1.width()); // OK
    println!("{}", rect1.height()); // OK
    // println!("{}", rect1.width); // Error - the visibility of field defaults to private
    println!("{}", rect1.height); // OK
}

当从模块外部访问结构体时，结构体的字段默认是私有的，其目的是隐藏信息（封装）。我们如果想要从模块外部获取 Rectangle 的字段，只需把它的 new， width 和 height 方法设置为公开可见，那么用户就可以创建一个矩形，同时通过访问器 rect1.width() 和 rect1.height() 方法来获取矩形的宽度和高度。

因为 width 字段是私有的，当用户访问 rect1.width 字段时，就会报错。注意在此例中，Self 指代的就是被实现方法的结构体 Rectangle。

特别的是，这种默认的可见性（私有的）可以通过 pub 进行覆盖，这样对于模块外部来说，就可以直接访问使用 pub 修饰的字段而无需通过访问器。这种可见性仅当从定义结构的模块外部访问时才重要，并且具有隐藏信息（封装）的目的。

（暴论总结：感觉和c++的class的封装差不多）】

【->运算符在rust的替代方式：（rust并没有该运算符）

在 C/C++ 语言中，有两个不同的运算符来调用方法：. 直接在对象上调用方法，而 -> 在一个对象的指针上调用方法，这时需要先解引用指针。换句话说，如果 object 是一个指针，那么 object->something() 和 (*object).something() 是一样的。

Rust 并没有一个与 -> 等效的运算符；相反，Rust 有一个叫 自动引用和解引用的功能。方法调用是 Rust 中少数几个拥有这种行为的地方。

他是这样工作的：当使用 object.something() 调用方法时，Rust 会自动为 object 添加 &（视可见性添加&mut)、 * 以便使 object 与方法签名匹配。也就是说，这些代码是等价的：

p1.distance(&p2);
(&p1).distance(&p2);

第一行看起来简洁的多。这种自动引用的行为之所以有效，是因为方法有一个明确的接收者———— self 的类型。在给出接收者和方法名的前提下，Rust 可以明确地计算出方法是仅仅读取（&self），做出修改（&mut self）或者是获取所有权（self）。事实上，Rust 对方法接收者的隐式借用让所有权在实践中更友好。】

关联函数：

定义在 impl 中且没有 self 的函数被称之为关联函数： 因为它没有 self，不能用 f.read() 的形式调用，因此它是一个函数而不是方法，它又在 impl 中，与结构体紧密关联，因此称为关联函数。

eg：

impl Rectangle {
    fn new(w: u32, h: u32) -> Rectangle {
        Rectangle { width: w, height: h }
    }
}

（Rust 中有一个约定俗成的规则，使用 new 来作为构造器的名称，出于设计上的考虑，Rust 特地没有用 new 作为关键字。）

因为是函数，所以不能用 . 的方式来调用，我们需要用 :: 来调用，例如 let sq = Rectangle::new(3, 3);。这个方法位于结构体的命名空间中：:: 语法用于关联函数和模块创建的命名空间。

多个 impl 定义

Rust 允许我们为一个结构体定义多个 impl 块，目的是提供更多的灵活性和代码组织性，例如当方法多了后，可以把相关的方法组织在同一个 impl 块中，那么就可以形成多个 impl 块，各自完成一块儿目标。

为枚举实现方法

#![allow(unused)]
enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y: i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

impl Message {
    fn call(&self) {
        // 在这里定义方法体
    }
}

fn main() {
    let m = Message::Write(String::from("hello"));
    m.call();
}

枚举类型之所以强大，不仅仅在于它好用、可以同一化类型，还在于，我们可以像结构体一样，为枚举实现方法。

（除了结构体和枚举，我们还能为特征(trait)实现方法）

九、泛型Generics

简介：

泛型是一种多态。泛型主要目的是为程序员提供编程的便利，减少代码的臃肿，同时可以极大地丰富语言本身的表达能力。换句话说，就是一个函数，可以代替几十个，甚至数百个函数。

//不使用泛型
fn add_i8(a:i8, b:i8) -> i8 {
    a + b
}
fn add_i32(a:i32, b:i32) -> i32 {
    a + b
}
fn add_f64(a:f64, b:f64) -> f64 {
    a + b
}

fn main() {
    println!("add i8: {}", add_i8(2i8, 3i8));
    println!("add i32: {}", add_i32(20, 30));
    println!("add f64: {}", add_f64(1.23, 1.23));
}
//使用泛型
fn add<T>(a:T, b:T) -> T {
    a + b
}

fn main() {
    println!("add i8: {}", add(2i8, 3i8));
    println!("add i32: {}", add(20, 30));
    println!("add f64: {}", add(1.23, 1.23));
}

上面代码的 T 就是泛型参数，实际上在 Rust 中，泛型参数的名称你可以任意起，但是出于惯例，我们都用 T （T 是 type 的首字母）来作为首选，这个名称越短越好，除非需要表达含义，否则一个字母是最完美的。

使用泛型参数，有一个先决条件，必需在使用前对其进行声明：

fn largest<T>(list: &[T]) -> T {
}
//但是，如果并不是所有的类型都能进行函数中的运算，就需要加以限制，否则会报错
fn add<T: std::ops::Add<Output = T>>(a:T, b:T) -> T {//eg
    a + b
}

该泛型函数的作用是从列表中找出最大的值，其中列表中的元素类型为 T。首先 largest<T> 对泛型参数 T 进行了声明，然后才在函数参数中进行使用该泛型参数 list: &[T]（&[T]类型是数组切片） 。

结构体中使用泛型

结构体中的字段类型也可以用泛型来定义，下面代码定义了一个坐标点 Point，它可以存放任何类型的坐标值：

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

fn main() {
    let integer = Point { x: 5, y: 10 };
    let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 };
}

这里有两点需要特别的注意：

• 提前声明，跟泛型函数定义类似，首先我们在使用泛型参数之前必需要进行声明 Point<T>，接着就可以在结构体的字段类型中使用 T 来替代具体的类型
• x 和 y 是相同的类型（如果想让 x 和 y 既能类型相同，又能类型不同，就需要使用不同的泛型参数）

枚举中使用泛型

Option<T> 是一个拥有泛型 T 的枚举类型，它第一个成员是 Some(T)，存放了一个类型为 T 的值。得益于泛型的引入，我们可以在任何一个需要返回值的函数中，去使用 Option<T> 枚举类型来做为返回值，用于返回一个任意类型的值 Some(T)，或者没有值 None。

此外，还有一个重要的枚举类型：result<T,E>

enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}

这个枚举和 Option 一样，主要用于函数返回值，与 Option 用于值的存在与否不同，Result 关注的主要是值的正确性。

如果函数正常运行，则最后返回一个 Ok(T)，T 是函数具体的返回值类型，如果函数异常运行，则返回一个 Err(E)，E 是错误类型。例如打开一个文件：如果成功打开文件，则返回 Ok(std::fs::File)，因此 T 对应的是 std::fs::File 类型；而当打开文件时出现问题时，返回 Err(std::io::Error)，E 对应的就是 std::io::Error 类型。

方法中使用泛型

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

impl<T> Point<T> {
    fn x(&self) -> &T {
        &self.x
    }
}

fn main() {
    let p = Point { x: 5, y: 10 };

    println!("p.x = {}", p.x());
}

使用泛型参数前，依然需要提前声明：impl<T>，只有提前声明了，我们才能在Point<T>中使用它，这样 Rust 就知道 Point 的尖括号中的类型是泛型而不是具体类型。需要注意的是，这里的 Point<T> 不再是泛型声明，而是一个完整的结构体类型，因为我们定义的结构体就是 Point<T> 而不再是 Point。

除了结构体中的泛型参数，我们还能在该结构体的方法中定义额外的泛型参数，就跟泛型函数一样：

struct Point<T, U> {
    x: T,
    y: U,
}

impl<T, U> Point<T, U> {
    fn mixup<V, W>(self, other: Point<V, W>) -> Point<T, W> {
        Point {
            x: self.x,
            y: other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 5, y: 10.4 };
    let p2 = Point { x: "Hello", y: 'c'};

    let p3 = p1.mixup(p2);

    println!("p3.x = {}, p3.y = {}", p3.x, p3.y);
}

这个例子中，T,U 是定义在结构体 Point 上的泛型参数，V,W 是单独定义在方法 mixup 上的泛型参数，它们并不冲突，说白了，你可以理解为，一个是结构体泛型，一个是函数泛型。

此外，对于 Point<T> 类型，不仅能定义基于 T 的方法，还能针对特定的具体类型，进行方法定义：

impl Point<f32> {
    fn distance_from_origin(&self) -> f32 {
        (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
    }
}

const 泛型：针对值的泛型

（rust1.51版本引入）

在数组中，[i32; 2] 和 [i32; 3] 是不同的数组类型。因此我们可以使用const泛型处理数组长度问题，使其可以打印出任意长度的数组。

fn display_array<T: std::fmt::Debug, const N: usize>(arr: [T; N]) {
    println!("{:?}", arr);
}
fn main() {
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(arr);

    let arr: [i32; 2] = [1, 2];
    display_array(arr);
}

const 泛型表达式

假设我们某段代码需要在内存很小的平台上工作，因此需要限制函数参数占用的内存大小，此时就可以使用 const 泛型表达式来实现：

// 目前只能在nightly版本下使用
#![allow(incomplete_features)]
#![feature(generic_const_exprs)]

fn something<T>(val: T)
where
    Assert<{ core::mem::size_of::<T>() < 768 }>: IsTrue,
    //       ^-----------------------------^ 这里是一个 const 表达式，换成其它的 const 表达式也可以
{
    //
}

fn main() {
    something([0u8; 0]); // ok
    something([0u8; 512]); // ok
    something([0u8; 1024]); // 编译错误，数组长度是1024字节，超过了768字节的参数长度限制
}

// ---

pub enum Assert<const CHECK: bool> {
    //
}

pub trait IsTrue {
    //
}

impl IsTrue for Assert<true> {
    //
}

const fn

在讨论完 const 泛型后，不得不提及另一个与之密切相关且强大的特性：const fn，即常量函数。const fn 允许我们在编译期对函数进行求值，从而实现更高效、更灵活的代码设计。

要定义一个常量函数，只需要在函数声明前加上 const 关键字。例如：

const fn add(a: usize, b: usize) -> usize {
    a + b
}

const RESULT: usize = add(5, 10);

fn main() {
    println!("The result is: {}", RESULT);
}

虽然 const fn 提供了很多便利，但是由于其在编译期执行，以确保函数能在编译期被安全地求值，因此有一些限制，例如，不可将随机数生成器写成 const fn。

无论在编译时还是运行时调用 const fn，它们的结果总是相同，即使多次调用也是如此。唯一的例外是，如果你在极端情况下进行复杂的浮点操作，你可能会得到（非常轻微的）不同结果。因此，不建议使 数组长度 (arr.len()) 和 Enum判别式 依赖于浮点计算。

结合 const fn 与 const 泛型

将 const fn 与 const 泛型 结合，可以实现更加灵活和高效的代码设计。例如，创建一个固定大小的缓冲区结构，其中缓冲区大小由编译期计算确定：

struct Buffer<const N: usize> {
    data: [u8; N],
}

const fn compute_buffer_size(factor: usize) -> usize {
    factor * 1024
}

fn main() {
    const SIZE: usize = compute_buffer_size(4);
    let buffer = Buffer::<SIZE> {
        data: [0; SIZE],
    };
    println!("Buffer size: {} bytes", buffer.data.len());
}

在这个例子中，compute_buffer_size 是一个常量函数，它根据传入的 factor 计算缓冲区的大小。在 main 函数中，我们使用 compute_buffer_size(4) 来计算缓冲区大小为 4096 字节，并将其作为泛型参数传递给 Buffer 结构体。这样，缓冲区的大小在编译期就被确定下来，避免了运行时的计算开销。

泛型的性能保证

Rust 通过在编译时进行泛型代码的 单态化(monomorphization)来保证效率。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。

编译器所做的工作正好与我们创建泛型函数的步骤相反，编译器寻找所有泛型代码被调用的位置并针对具体类型生成代码。

让我们看看一个使用标准库中 Option 枚举的例子：

let integer = Some(5);
let float = Some(5.0);

当 Rust 编译这些代码的时候，它会进行单态化。编译器会读取传递给 Option<T> 的值并发现有两种 Option<T>：一种对应 i32 另一种对应 f64。为此，它会将泛型定义 Option<T> 展开为 Option_i32 和 Option_f64，接着将泛型定义替换为这两个具体的定义。

编译器生成的单态化版本的代码看起来像这样：

enum Option_i32 {
    Some(i32),
    None,
}

enum Option_f64 {
    Some(f64),
    None,
}

fn main() {
    let integer = Option_i32::Some(5);
    let float = Option_f64::Some(5.0);
}

我们可以使用泛型来编写不重复的代码，而 Rust 将会为每一个实例编译其特定类型的代码。这意味着在使用泛型时没有运行时开销；当代码运行，它的执行效率就跟好像手写每个具体定义的重复代码一样。这个单态化过程正是 Rust 泛型在运行时极其高效的原因。

To Be Continue…