第1 章 新時(shí)代的語(yǔ)言 .................................................................................................. 1 1.1 緣起 ........................................................................................................................... 1 1.2 設(shè)計(jì)哲學(xué) ................................................................................................................... 3 1.2.1 內(nèi)存安全....................................................................................................... 3 1.2.2 零成本抽象 ................................................................................................... 4 1.2.3 實(shí)用性 .......................................................................................................... 5 1.3 現(xiàn)狀與未來(lái) ............................................................................................................... 7 1.3.1 語(yǔ)言架構(gòu)....................................................................................................... 8 1.3.2 開(kāi)源社區(qū)....................................................................................................... 9 1.3.3 發(fā)展前景....................................................................................................... 9 1.4 Rust 代碼如何執(zhí)行 ................................................................................................ 10 1.5 小結(jié) ......................................................................................................................... 10 第2 章 語(yǔ)言精要 ........................................................................................................ 11 2.1 Rust 語(yǔ)言的基本構(gòu)成 ............................................................................................. 11 2.1.1 語(yǔ)言規(guī)范..................................................................................................... 11 2.1.2 編譯器 ........................................................................................................ 12 2.1.3 核心庫(kù) ........................................................................................................ 12 2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) ........................................................................................................ 12 2.1.5 包管理器..................................................................................................... 13 2.2 語(yǔ)句與表達(dá)式 ......................................................................................................... 13 2.3 變量與綁定 ............................................................................................................. 14 2.3.1 位置表達(dá)式和值表達(dá)式 ............................................................................. 15 2.3.2 不可變綁定與可變綁定 ............................................................................. 15 2.3.3 所有權(quán)與引用 ............................................................................................. 16 2.4 函數(shù)與閉包 ............................................................................................................. 17 2.4.1 函數(shù)定義..................................................................................................... 17 2.4.2 作用域與生命周期 ..................................................................................... 18 2.4.3 函數(shù)指針..................................................................................................... 19 2.4.5 CTFE 機(jī)制 .................................................................................................. 20 2.4.6 閉包 ............................................................................................................ 20 2.5 流程控制 ................................................................................................................. 22 2.5.1 條件表達(dá)式 ................................................................................................. 22 2.5.2 循環(huán)表達(dá)式 ................................................................................................. 23 2.5.3 match 表達(dá)式與模式匹配 .......................................................................... 24 2.5.4 if let 和while let 表達(dá)式 ............................................................................ 25 2.6 基本數(shù)據(jù)類(lèi)型 ......................................................................................................... 26 2.6.1 布爾類(lèi)型..................................................................................................... 26 2.6.2 基本數(shù)字類(lèi)型 ............................................................................................. 26 2.6.3 字符類(lèi)型..................................................................................................... 27 2.6.4 數(shù)組類(lèi)型..................................................................................................... 28 2.6.5 范圍類(lèi)型..................................................................................................... 29 2.6.6 切片類(lèi)型..................................................................................................... 29 2.6.7 str 字符串類(lèi)型 ............................................................................................ 30 2.6.8 原生指針..................................................................................................... 31 2.6.9 never 類(lèi)型 ................................................................................................... 31 2.7 復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型 ......................................................................................................... 32 2.7.1 元組 ............................................................................................................ 32 2.7.2 結(jié)構(gòu)體 ........................................................................................................ 33 2.7.3 枚舉體 ........................................................................................................ 36 2.8 常用集合類(lèi)型 ......................................................................................................... 38 2.8.1 線性序列：向量 ......................................................................................... 38 2.8.2 線性序列：雙端隊(duì)列 ................................................................................. 39 2.8.3 線性序列：鏈表 ......................................................................................... 40 2.8.4 Key-Value 映射表：HashMap 和BTreeMap ............................................ 40 2.8.5 集合：HashSet 和BTreeSet ...................................................................... 41 2.8.6 優(yōu)先隊(duì)列：BinaryHeap ............................................................................. 42 2.9 智能指針 ................................................................................................................. 42 2.10 泛型和trait ........................................................................................................... 43 2.10.1 泛型 .......................................................................................................... 43 2.10.2 trait ............................................................................................................ 44 2.11 錯(cuò)誤處理 ............................................................................................................... 47 2.12 表達(dá)式優(yōu)先級(jí) ....................................................................................................... 48 2.13 注釋與打印 ........................................................................................................... 48 2.14 小結(jié) ....................................................................................................................... 50 第3 章 類(lèi)型系統(tǒng) ........................................................................................................ 51 3.1 通用概念 ................................................................................................................. 51 3.1.1 類(lèi)型系統(tǒng)的作用 ......................................................................................... 51 3.1.2 類(lèi)型系統(tǒng)的分類(lèi) ......................................................................................... 52 3.1.3 類(lèi)型系統(tǒng)與多態(tài)性 ..................................................................................... 53 3.2 Rust 類(lèi)型系統(tǒng)概述 ................................................................................................ 53 3.2.1 類(lèi)型大小..................................................................................................... 53 3.2.2 類(lèi)型推導(dǎo)..................................................................................................... 58 3.3 泛型 ......................................................................................................................... 60 3.3.1 泛型函數(shù)..................................................................................................... 60 3.3.2 泛型返回值自動(dòng)推導(dǎo) ................................................................................. 62 3.4 深入trait ................................................................................................................. 62 3.4.1 接口抽象..................................................................................................... 63 3.4.2 泛型約束..................................................................................................... 69 3.4.3 抽象類(lèi)型..................................................................................................... 71 3.4.4 標(biāo)簽trait ..................................................................................................... 77 3.5 類(lèi)型轉(zhuǎn)換 ................................................................................................................. 83 3.5.1 Deref 解引用 .............................................................................................. 83 3.5.2 as 操作符 .................................................................................................... 86 3.5.3 From 和Into ............................................................................................... 88 3.6 當(dāng)前trait 系統(tǒng)的不足 ............................................................................................ 89 3.6.1 孤兒規(guī)則的局限性 ..................................................................................... 90 3.6.2 代碼復(fù)用的效率不高 ................................................................................. 91 3.6.3 抽象表達(dá)能力有待改進(jìn) ............................................................................. 93 3.7 小結(jié) ......................................................................................................................... 94 第4 章 內(nèi)存管理 ........................................................................................................ 95 4.1 通用概念 ................................................................................................................. 95 4.1.1 棧 ................................................................................................................ 96 4.1.2 堆 ................................................................................................................ 99 4.1.3 內(nèi)存布局................................................................................................... 101 4.2 Rust 中的資源管理 ...............................................................................................103 4.2.1 變量和函數(shù) ............................................................................................... 103 4.2.2 智能指針與RAII ..................................................................................... 106 4.2.3 內(nèi)存泄漏與內(nèi)存安全 ............................................................................... 110 4.2.4 復(fù)合類(lèi)型的內(nèi)存分配和布局 ................................................................... 115 4.3 小結(jié) ........................................................................................................................ 117 第5 章 所有權(quán)系統(tǒng) .................................................................................................. 119 5.1 通用概念 ................................................................................................................120 5.2 所有權(quán)機(jī)制 ............................................................................................................123 5.3 綁定、作用域和生命周期 ....................................................................................125 5.3.1 不可變與可變 ........................................................................................... 126 5.3.2 綁定的時(shí)間屬性——生命周期 ............................................................... 127 5.4 所有權(quán)借用 ............................................................................................................131 5.5 生命周期參數(shù) ........................................................................................................135 5.5.1 顯式生命周期參數(shù) ................................................................................... 136 5.5.2 省略生命周期參數(shù) ................................................................................... 143 5.5.3 生命周期限定 ........................................................................................... 145 5.5.4 trait 對(duì)象的生命周期 ............................................................................... 145 5.6 智能指針與所有權(quán) ................................................................................................146 5.6.1 共享所有權(quán) Rc＜T＞和Weak＜T＞ ............................................................ 149 5.6.2 內(nèi)部可變性Cell＜T＞和RefCell＜T＞ ........................................................ 151 5.6.3 寫(xiě)時(shí)復(fù)制Cow＜T＞ ................................................................................... 153 5.7 并發(fā)安全與所有權(quán) ................................................................................................156 5.8 非詞法作用域生命周期 ........................................................................................157 5.9 小結(jié) ........................................................................................................................161 第6 章 函數(shù)、閉包與迭代器.................................................................................... 162 6.1 函數(shù) ........................................................................................................................162 6.1.1 函數(shù)屏蔽................................................................................................... 164 6.1.2 函數(shù)參數(shù)模式匹配 ................................................................................... 164 6.1.3 函數(shù)返回值 ............................................................................................... 165 6.1.4 泛型函數(shù)................................................................................................... 166 6.1.5 方法與函數(shù) ............................................................................................... 167 6.1.6 高階函數(shù)................................................................................................... 168 6.2 閉包 ........................................................................................................................171 6.2.1 閉包的基本語(yǔ)法 ....................................................................................... 172 6.2.2 閉包的實(shí)現(xiàn) ............................................................................................... 173 6.2.3 閉包與所有權(quán) ........................................................................................... 178 6.2.4 閉包作為函數(shù)參數(shù)和返回值 ................................................................... 184 6.2.5 高階生命周期 ........................................................................................... 190 6.3 迭代器 ....................................................................................................................194 6.3.1 外部迭代器和內(nèi)部迭代器 ....................................................................... 194 6.3.2 Iterator trait ............................................................................................... 195 6.3.3 IntoIterator trait 和迭代器 ........................................................................ 199 6.3.4 迭代器適配器 ........................................................................................... 202 6.3.5 消費(fèi)器 ...................................................................................................... 207 6.3.6 自定義迭代器適配器 ............................................................................... 211 6.4 小結(jié) ........................................................................................................................214 第7 章 結(jié)構(gòu)化編程 .................................................................................................. 216 7.1 面向?qū)ο箫L(fēng)格編程 ................................................................................................217 7.1.1 結(jié)構(gòu)體 ...................................................................................................... 217 7.1.2 枚舉體 ...................................................................................................... 225 7.1.3 析構(gòu)順序................................................................................................... 230 7.2 常用設(shè)計(jì)模式 ........................................................................................................233 7.2.1 建造者模式 ............................................................................................... 234 7.2.2 訪問(wèn)者模式 ............................................................................................... 236 7.2.3 RAII 模式 ................................................................................................. 239 7.3 小結(jié) ........................................................................................................................243 第8 章 字符串與集合類(lèi)型 ....................................................................................... 244 8.1 字符串 ....................................................................................................................244 8.1.1 字符編碼................................................................................................... 244 8.1.2 字符 .......................................................................................................... 247 8.1.3 字符串分類(lèi) ............................................................................................... 249 8.1.4 字符串的兩種處理方式 ........................................................................... 251 8.1.5 字符串的修改 ........................................................................................... 253 8.1.6 字符串的查找 ........................................................................................... 256 8.1.7 與其他類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換 ............................................................................... 265 8.1.8 回顧 .......................................................................................................... 270 8.2 集合類(lèi)型 ................................................................................................................271 8.2.1 動(dòng)態(tài)可增長(zhǎng)數(shù)組 ....................................................................................... 271 8.2.2 映射集 ...................................................................................................... 281 8.3 理解容量 ................................................................................................................289 8.4 小結(jié) ........................................................................................................................292 第9 章 構(gòu)建健壯的程序 ........................................................................................... 294 9.1 通用概念 ................................................................................................................294 9.2 消除失敗 ................................................................................................................295 9.3 分層處理錯(cuò)誤 ........................................................................................................297 9.3.1 可選值Option＜T＞ .................................................................................... 298 9.3.2 錯(cuò)誤處理Result＜T, E＞ ............................................................................ 302 9.4 恐慌（Panic） .......................................................................................................314 9.5 第三方庫(kù) ................................................................................................................316 9.6 小結(jié) ........................................................................................................................319 第10 章 模塊化編程 ................................................................................................ 320 10.1 包管理 ..................................................................................................................321 10.1.1 使用Cargo 創(chuàng)建包 ................................................................................. 321 10.1.2 使用第三方包 ......................................................................................... 323 10.1.3 Cargo.toml 文件格式 .............................................................................. 331 10.1.4 自定義Cargo .......................................................................................... 337 10.2 模塊系統(tǒng) ..............................................................................................................339 10.3 從零開(kāi)始實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整功能包 ..........................................................................344 10.3.1 使用Cargo 創(chuàng)建新項(xiàng)目 ......................................................................... 345 10.3.2 使用structopt 解析命令行參數(shù) ............................................................. 345 10.3.3 定義統(tǒng)一的錯(cuò)誤類(lèi)型 ............................................................................. 347 10.3.4 讀取CSV 文件 ....................................................................................... 348 10.3.5 替換CSV 文件中的內(nèi)容 ....................................................................... 351 10.3.6 進(jìn)一步完善包 ......................................................................................... 353 10.4 可見(jiàn)性和私有性 ..................................................................................................358 10.5 小結(jié) ......................................................................................................................360 第11 章 安全并發(fā) .................................................................................................... 362 11.1 通用概念 ..............................................................................................................362 11.1.1 多進(jìn)程和多線程 ..................................................................................... 363 11.1.2 事件驅(qū)動(dòng)、異步回調(diào)和協(xié)程 ................................................................. 364 11.1.3 線程安全 ................................................................................................. 365 11.2 多線程并發(fā)編程 ..................................................................................................370 11.2.1 線程管理 ................................................................................................. 371 11.2.2 Send 和Sync ........................................................................................... 375 11.2.3 使用鎖進(jìn)行線程同步 ............................................................................. 379 11.2.4 屏障和條件變量 ..................................................................................... 384 11.2.5 原子類(lèi)型 ................................................................................................. 386 11.2.6 使用Channel 進(jìn)行線程間通信 .............................................................. 388 11.2.7 內(nèi)部可變性探究 ..................................................................................... 397 11.2.8 線程池 ..................................................................................................... 399 11.2.9 使用Rayon 執(zhí)行并行任務(wù) .................................................................... 407 11.2.10 使用Crossbeam .................................................................................... 409 11.3 異步并發(fā) ..............................................................................................................412 11.3.1 生成器 ..................................................................................................... 413 11.3.2 Future 并發(fā)模式 ..................................................................................... 418 11.3.3 async/await .............................................................................................. 421 11.4 數(shù)據(jù)并行 ..............................................................................................................428 11.4.1 什么是SIMD .......................................................................................... 429 11.4.2 在Rust 中使用SIMD............................................................................. 430 11.5 小結(jié) ......................................................................................................................434 第12 章 元編程 ....................................................................................................... 435 12.1 反射 ......................................................................................................................436 12.1.1 通過(guò)is 函數(shù)判斷類(lèi)型 ............................................................................ 436 12.1.2 轉(zhuǎn)換到具體類(lèi)型 ..................................................................................... 437 12.1.3 非靜態(tài)生命周期類(lèi)型 ............................................................................. 439 12.2 宏系統(tǒng) ..................................................................................................................440 12.2.1 起源 ........................................................................................................ 440 12.2.2 Rust 中宏的種類(lèi) .................................................................................... 441 12.2.3 編譯過(guò)程 ................................................................................................. 442 12.2.4 聲明宏 .................................................................................................... 445 12.2.5 過(guò)程宏 .................................................................................................... 458 12.3 編譯器插件 ..........................................................................................................472 12.4 小結(jié) ......................................................................................................................475 第13 章 超越安全的邊界 ......................................................................................... 477 13.1 Unsafe Rust 介紹 .................................................................................................477 13.1.1 Unsafe 語(yǔ)法 ............................................................................................ 478 13.1.2 訪問(wèn)和修改可變靜態(tài)變量 ..................................................................... 480 13.1.3 Union 聯(lián)合體 .......................................................................................... 480 13.1.4 解引用原生指針 ..................................................................................... 483 13.2 基于Unsafe 進(jìn)行安全抽象 .................................................................................484 13.2.1 原生指針 ................................................................................................. 484 13.2.2 子類(lèi)型與型變 ......................................................................................... 489 13.2.3 未綁定生命周期 ..................................................................................... 494 13.2.4 Drop 檢查 ............................................................................................... 495 13.2.5 NonNull＜T＞指針 .................................................................................... 505 13.2.6 Unsafe 與恐慌安全 ................................................................................ 508 13.2.7 堆內(nèi)存分配 ............................................................................................. 508 13.2.8 混合代碼內(nèi)存安全架構(gòu)三大原則 ......................................................... 510 13.3 和其他語(yǔ)言交互 ..................................................................................................510 13.3.1 外部函數(shù)接口 ......................................................................................... 510 13.3.2 與C/C++語(yǔ)言交互 ................................................................................. 514 13.3.3 使用Rust 提升動(dòng)態(tài)語(yǔ)言性能 ............................................................... 528 13.4 Rust 與WebAssembly .........................................................................................532 13.4.1 WebAssembly 要點(diǎn)介紹......................................................................... 533 13.4.2 使用Rust 開(kāi)發(fā)WebAssembly ............................................................... 539 13.4.3 打造WebAssembly 開(kāi)發(fā)生態(tài) ................................................................ 541 13.5 小結(jié) ......................................................................................................................543 附錄A Rust 開(kāi)發(fā)環(huán)境指南 ....................................................................................... 544 附錄B Rust 如何調(diào)試代碼 ....................................................................................... 549