The Rust Programming Language

数据类型（Data Types）

Rust 中的每个值都属于某种特定的数据类型（data type），这告诉 Rust 它所处理的是哪种数据，从而知道该如何处理这些数据。我们将讨论两种数据类型子集：标量类型（scalar）和复合类型（compound）。

请记住，Rust 是一门静态类型（statically typed）语言，这意味着它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及其使用方式推断出我们想使用的类型。在可能存在多种类型的情况下，例如我们在第 2 章的“将猜测的数字与秘密数字进行比较”章节中，使用 parse 将 String 转换为数值类型时，我们必须添加一个类型注解（type annotation），如下所示：

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

如果我们在前面的代码中没有添加 : u32 类型注解，Rust 将显示以下错误，这意味着编译器需要更多信息来确定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

对于其他数据类型，你也会看到不同的类型注解。

标量类型（Scalar Types）

标量（scalar）类型表示单个值。Rust 有四种主要的标量类型：整数（integer）、浮点数（floating-point number）、布尔值（Boolean）和字符（character）。你可能从其他编程语言中认识它们。让我们来看看它们在 Rust 中是如何工作的。

整数类型（Integer Types）

整数（integer）是一个没有小数部分的数字。我们在第 2 章中使用了一种整数类型 u32。这种类型声明表明与其关联的值应该是一个占用 32 位空间的无符号整数（有符号整数类型以 i 开头，而不是 u）。表 3-1 展示了 Rust 中内置的整数类型。我们可以使用其中任何一种变体来声明整数值的类型。

表 3-1：Rust 中的整数类型

每种变体可以是有符号（signed）或无符号（unsigned），并且具有明确的大小。有符号（signed）和无符号（unsigned）指的是数字是否可能为负数——换句话说，就是数字是否需要带符号（有符号），还是它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：当符号很重要时，数字会带有加号或减号；然而，当可以安全地假定数字为正数时，就会不带符号显示。有符号数以补码形式存储。

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 类型取决于程序所运行的计算机架构：在 64 位架构上是 64 位，在 32 位架构上是 32 位。

你可以用表 3-2 中所示的任何一种形式来书写整数字面量（integer literal）。请注意，可以属于多种数值类型的数字字面量允许使用类型后缀（type suffix），例如 57u8，来指定类型。数字字面量还可以使用 _ 作为视觉分隔符，使数字更易于阅读，例如 1_000，它与指定 1000 具有相同的值。

表 3-2：Rust 中的整数字面量

那么如何知道该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 的主要情况是在对某种集合进行索引时。

浮点类型（Floating-Point Types）

Rust 还有两种浮点数（floating-point numbers）的原始类型，即带有小数点的数字。Rust 的浮点类型是 f32 和 f64，分别占 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。

下面是一个展示浮点数用法的示例：

文件名（Filename）: 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（Numeric Operations）

Rust 支持你对所有数字类型所期望的基本数学运算：加法（addition）、减法（subtraction）、乘法（multiplication）、除法（division）和取余（remainder）。整数除法会向零截断（truncates toward zero）到最接近的整数。以下代码展示了如何在 let 语句中使用每种数值运算：

文件名（Filename）: 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，并求值为单个值，然后绑定到一个变量。附录 B包含了 Rust 提供的所有运算符的列表。

布尔类型（The Boolean Type）

与大多数其他编程语言一样，Rust 中的布尔类型有两个可能的值：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（Filename）: 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”章节中介绍 if 表达式在 Rust 中是如何工作的。

字符类型（The Character Type）

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（Filename）: src/main.rs

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

需要注意的是，我们使用单引号指定 char 字面量，而字符串字面量则使用双引号。Rust 的 char 类型大小为 4 字节，表示一个 Unicode 标量值（Unicode scalar value），这意味着它可以表示比 ASCII 多得多的内容。重音字母；中文、日文和韩文字符；表情符号（emoji）；以及零宽空格（zero-width space）在 Rust 中都是有效的 char 值。Unicode 标量值的范围是从 U+0000 到 U+D7FF 以及从 U+E000 到 U+10FFFF（含）。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 并不完全一致。我们将在第 8 章的“使用字符串存储 UTF-8 编码的文本”中详细讨论这个主题。

复合类型（Compound Types）

复合类型（Compound types）可以将多个值组合成一个类型。Rust 有两种原始的复合类型：元组（tuple）和数组（array）。

元组类型（The Tuple Type）

元组（tuple）是一种将多个不同类型的值组合成一个复合类型的通用方式。元组具有固定长度：一旦声明，它们不能增长或缩小。

我们通过编写一个括号内的逗号分隔的值列表来创建元组。元组中的每个位置都有一个类型，并且元组中不同值的类型不必相同。在这个示例中，我们添加了可选的类型注解：

文件名（Filename）: src/main.rs

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

变量 tup 绑定到整个元组，因为元组被认为是一个单一的复合元素。要从元组中取出各个值，我们可以使用模式匹配（pattern matching）来解构（destructure）元组值，如下所示：

文件名（Filename）: src/main.rs

fn main() {
    let tup = (500, 6.4, 1);

    let (x, y, z) = tup;

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

这个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 并将其转换为三个独立的变量 x、y 和 z。这被称为解构（destructuring），因为它将单个元组拆分为三个部分。最后，程序打印 y 的值，即 6.4。

我们还可以直接使用句点（.）后跟要访问的值的索引来访问元组元素。例如：

文件名（Filename）: 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;
}

这个程序创建了元组 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。

没有任何值的元组有一个特殊的名称，即单元（unit）。这个值及其对应的类型都写作 ()，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（The Array Type）

另一种拥有多个值的集合方式是使用数组（array）。与元组不同，数组中的每个元素必须具有相同的类型。与其他一些编程语言中的数组不同，Rust 中的数组具有固定长度。

我们以方括号内的逗号分隔列表的形式来编写数组的值：

文件名（Filename）: src/main.rs

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

当你希望数据分配在栈（stack）上而不是堆（heap）上时（我们将在第 4 章中更详细地讨论栈和堆），或者当你希望确保始终有固定数量的元素时，数组非常有用。不过，数组不像 vector（向量）类型那样灵活。vector 是标准库提供的一种类似的集合类型，它的大小是允许增长或缩小的，因为其内容位于堆上。如果你不确定应该使用数组还是 vector，那么很可能应该使用 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，你可能更倾向于使用数组而不是 vector，因为你清楚它总是包含 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、分号以及数组中的元素数量，如下所示：

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

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。

你还可以通过指定初始值，后跟分号，然后在方括号中指定数组的长度，来将数组初始化为每个元素都包含相同的值，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。这与编写 let a = [3, 3, 3, 3, 3]; 相同，但写法更简洁。

访问数组元素（Array Element Access）

数组是一块已知固定大小的连续内存，可以在栈上分配。你可以使用索引来访问数组中的元素，如下所示：

文件名（Filename）: src/main.rs

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

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

在这个示例中，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 的变量将从数组中的索引 [1] 获得值 2。

无效的数组元素访问（Invalid Array Element Access）

让我们看看如果尝试访问超出数组末尾的元素会发生什么。假设你运行这段代码（类似于第 2 章中的猜数游戏），从用户那里获取一个数组索引：

文件名（Filename）: 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}");
}

这段代码可以成功编译。如果你使用 cargo run 运行这段代码并输入 0、1、2、3 或 4，程序会打印出数组中该索引处的相应值。如果你输入一个超出数组末尾的数字，例如 10，你将看到类似如下的输出：

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

程序在使用无效值进行索引操作时发生了运行时错误。程序退出并显示一条错误消息，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 将发生恐慌（panic）。这个检查必须在运行时进行，尤其是在这种情况下，因为编译器无法知道用户稍后运行代码时会输入什么值。

这是 Rust 内存安全原则的实际体现。在许多底层语言中，不会进行这种检查，当你提供不正确的索引时，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执行，来保护你免受此类错误的影响。第 9 章将进一步讨论 Rust 的错误处理，以及如何编写既不会恐慌也不会允许无效内存访问的可读、安全的代码。