UMBRELLA

在 Rust 中，指针按是否有所有权属性可以分为两类，例如 Box<T>，String，或者 Vec 具有所有权属性的指针（owning pointers），可以说它们拥有指向的内存，当它们被删除时，指向的内存也会被被释放掉。但是，也有一种非所有权指针，叫做引用(references)，它们的存在不会影响指向值的生命周期，在 Rust 中创建引用的行为称之为对值的借用。

要注意的是，引用决不能超过其引用的值的生命周期。必须在代码中明确指出，任何引用都不可能超过它所指向的值的寿命。为了强调这一点，Rust 将创建对某个值的引用称为借用：你所借的东西，最终必须归还给它的所有者。

引用值

在《【Rust】所有权》章节中，我们说到函数传值会转移值得所有权，for 循环也会，例如，对下面的代码，我们在将 table 传递给 show 函数之后，table 就处于未初始化状态：

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use std::collections::HashMap;
type Table = HashMap<String, Vec<String>>;

fn show(table: Table) {
    for (artist, works) in table {
        println!("works by {}:", artist); for work in works {
            println!("  {}", work);
        }
    } 
}


fn main() {
    let mut table = Table::new();
    table.insert("Gesualdo".to_string(),
                 vec!["many madrigals".to_string(),
                      "Tenebrae Responsoria".to_string()]);
    table.insert("Caravaggio".to_string(),
                 vec!["The Musicians".to_string(),
                      "The Calling of St. Matthew".to_string()]);
    table.insert("Cellini".to_string(),
                 vec!["Perseus with the head of Medusa".to_string(),
                      "a salt cellar".to_string()]);
    show(table);
}

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...
show(table);
assert_eq!(table["Gesualdo"][0], "many madrigals");

error[E0382]: borrow of moved value: `table`
--> src/main.rs:24:16
|
13 |     let mut table = Table::new();
|         --------- move occurs because `table` has type `HashMap<String, Vec<String>>`, which does not implement the `Copy` trait
...
23 |     show(table);
|          ----- value moved here
24 |     assert_eq!(table["Gesualdo"][0], "many madrigals");
|                ^^^^^ value borrowed here after move

Rust 被称作表达式语言，在C中，if 和switch 是语句，它们不会产生值，也不能在表达式中间使用。在Rust中，if 和 match可以产生值。例如：

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let status = if cpu.temperature <= MAX_TEMP {
    HttpStatus::Ok
} else {
    HttpStatus::ServerError
};

println!(
    "Inside the vat, you see {}.",
    match vat.contents {
        Some(brain) => brain.desc(),
        None => "nothing of interest",
    }
);

这解释了为什么Rust没有C的三元运算符(expr1: Expr2: expr3)，在 C 中，它类似 if 语句，而在 Rust 中，if 完全可以代替。另外大多数控制流在 C 中是语句，而在 Rust 中是表达式（语句都会以 ; 结束，而表达式没有）。

Rust 的错误处理方法非常不同寻常，本节介绍了 Rust 中两种不同类型的错误处理：panic 和 Result。

Panic

当程序遇到,数组越界，除0，这样很严重的bug时就会panic，在 Result 上调用 .expect() 遇到错误以及断言失败都会发生panic。还有宏 panic!()，用于在代码发现它出错是，想要直接退出。panic!() 接受可选的 println!() 样式参数，用于构建错误消息。

这些都是程序员的错，但我们都会犯错，当这些不该发生的错误发生时，Rust 可以终止进程。来看一个除0的示例：

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fn main() {
    pirate_share(100, 0);
}

fn pirate_share(total: u64, crew_size: usize) -> u64 {
    let half = total / 2;
    half / crew_size as u64
}

/Users/fudenglong/.cargo/bin/cargo run --color=always --package mandelbrot --bin mandelbrot
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
    Running `target/debug/mandelbrot`
thread 'main' panicked at 'attempt to divide by zero', src/main.rs:7:5
stack backtrace:
0: rust_begin_unwind
            at /rustc/4ca19e09d302a4cbde14f9cb1bc109179dc824cd/library/std/src/panicking.rs:584:5
1: core::panicking::panic_fmt
            at /rustc/4ca19e09d302a4cbde14f9cb1bc109179dc824cd/library/core/src/panicking.rs:142:14
2: core::panicking::panic
            at /rustc/4ca19e09d302a4cbde14f9cb1bc109179dc824cd/library/core/src/panicking.rs:48:5
3: mandelbrot::pirate_share
            at ./src/main.rs:7:5
4: mandelbrot::main
            at ./src/main.rs:2:5
5: core::ops::function::FnOnce::call_once
            at /rustc/4ca19e09d302a4cbde14f9cb1bc109179dc824cd/library/core/src/ops/function.rs:248:5
note: Some details are omitted, run with `RUST_BACKTRACE=full` for a verbose backtrace.

Process finished with exit code 101

线程之间的 panic 是相互独立的，也可以调用 std::panic::catch_unwind() 捕获异常，并且让程序执行。默认发生 panic 时会展开调用栈，此外有两种情况 Rust 不会尝试展开调用栈：

• 如果 .drop() 方法触发了第二次恐慌，而 Rust 在第一次之后仍在尝试清理，这被认为是致命的，Rust 停止展开并中止整个进程；

• Rust 的恐慌行为是可定制的。如果使用 -C panic=abort 编译，程序中的第一个 panic 会立即中止进程。（使用这个选项，Rust 不需要知道如何展开调用栈，因此这可以减少编译代码的大小。）

Crates

Rust 程序是由 crate 组成的，每个 crate 都是一个完整的的单元：单个库或可执行文件的所有源代码，以及任何相关的测试、示例、工具、配置和其他东西。可以使用 cargo build --verbose 查看项目中使用了哪些 crates。

通常项目的依赖都是配置在 Cargo.toml 文件中，例如：

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[dependencies]
num = "0.4"
image = "0.13"
crossbeam = "0.8"

可以通过 cargo build，cargo install 或者 cargo add 下载依赖代码。一旦有了源代码，Cargo 就会编译所有的 crate。它为项目依赖图中的每个 crate 运行一次 rustc（Rust 编译器）。编译库时，Cargo 使用 --crate-type lib 选项。这告诉 rustc 不要寻找 main() 函数，而是生成一个 .rlib 文件，其中包含可用于创建二进制文件和其他 .rlib 文件的编译代码。例如：

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rustc --crate-name num --edition=2018 /Users/fudenglong/.cargo/registry/src/mirrors.ustc.edu.cn-61ef6e0cd06fb9b8/num-0.4.0/src/lib.rs --error-format=json --json=diagnostic-rendered-ansi,artifacts,future-incompat --crate-type lib --emit=dep-info,metadata,link -C embed-bitcode=no -C split-debuginfo=unpacked -C debuginfo=2 --cfg 'feature="default"' --cfg 'feature="num-bigint"' --cfg 'feature="std"' -C metadata=b84820de50dc7f78 -C extra-filename=-b84820de50dc7f78 --out-dir /Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps -L dependency=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps --extern num_bigint=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_bigint-bd772250e89d4bb9.rmeta --extern num_complex=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_complex-d3fd80f953e1ac52.rmeta --extern num_integer=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_integer-7ff0466209086397.rmeta --extern num_iter=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_iter-2b149e71dbad2afc.rmeta --extern num_rational=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_rational-1686ad6eb82c18d4.rmeta --extern num_traits=/Users/fudenglong/WORKDIR/rust/mandelbrot/target/debug/deps/libnum_traits-deaceb32c41a04f1.rmeta --cap-lints allow

对于每个 rustc 命令，Cargo 都会传递 --extern 选项，给出 crate 将使用的每个库的文件名。这样，当 rustc 看到像 use num::bigint::BigInt; 这样的代码行时，它可以确定 num 是另一个 crate 的名称，并且通过 Cargo，可以在磁盘上找到已编译的 crate。Rust 编译器需要访问这些 .rlib 文件，因为它们包含库的编译代码， Rust 会将该代码静态链接到最终的可执行文件中。 .rlib 还包含类型信息，因此 Rust 可以检查我们在代码中使用的库功能是否确实存在，以及我们是否正确使用它们，它还包含 crate 的公共内联函数、泛型和宏的副本等。

如果编译程序时，Cargo 使用 --crate-type bin，结果将会生成目标平台的二进制可执行文件。

Rust 中也有结构体，类似 C/C++ 中的结构体，python 中的 class 以及 javascript 中的对象。Rust 中除了常规的结构体之外，还有 tuple 结构体，单元结构体。

结构体

Rust 中约定包括结构体在内的所有类型都采用驼峰法命名，并且首字母大写，而方法和字段采用蛇形命名，即 _ 连接小写单词。例如：

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/// A rectangle of eight-bit grayscale pixels.
struct GrayscaleMap {
    pixels: Vec<u8>,
    size: (usize, usize)
}

结构体初始化：

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let width = 1024;
let height = 576;
let image = GrayscaleMap {
    pixels: vec![0; width * height],
    size: (width, height)
};

如果局部变量或者函数参数和字段名称同名，还可以省略字段名称，例如：

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fn new_map(size: (usize, usize), pixels: Vec<u8>) -> GrayscaleMap {
    assert_eq!(pixels.len(), size.0 * size.1);
    GrayscaleMap { pixels, size }
}

字段访问采用 . 运算符：

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assert_eq!(image.size, (1024, 576));
assert_eq!(image.pixels.len(), 1024 * 576);

结构体默认只能在当前模块和子模块中使用，如果想要导出结构体需要使用 pub 标识，字段也是同样的道理，如果字段都是私有的，那么只能使用类似 Vec::new 的构造方法来初始化字段：

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/// A rectangle of eight-bit grayscale pixels.
pub struct GrayscaleMap {
    pub pixels: Vec<u8>,
    pub size: (usize, usize)
}

我们还可以使用相同类型的结构变量去初始化另外一个，使用 .. 运算符，自动填充未显示赋值的字段：

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#[derive(Debug)]
struct Person {
    name: String,
    age: i32,
    sex: char,
}

fn main() {
    let p1 = Person {
        name: "michael".to_string(),
        age: 28,
        sex: '男',
    };

    let p2 = Person {
        name: "skye".to_string(),
        ..p1
    };

    println!("p1: {:?}, pw: {:?}", p1, p2);
}

p2 除了 name 字段是显示赋值的，其他两个字段都是来源于 p1，这段代码运行之后将输出：

p1: Person { name: "michael", age: 28, sex: '男' }, pw: Person { name: "skye", age: 28, sex: '男' }

在 Rust 中，枚举也可以包含数据，甚至是不同类型的数据。例如，Rust 的 Result<String, io::Error> 类型是一个枚举，这样的值要么是包含字符串的 Ok值，要么是包含 io::Error 的 Err 值。

只要 value 只有一种可能，枚举就很有用。使用它们的代价是你必须安全地访问数据，使用模式匹配就可以完成。Rust 模式有点像正则表达式，它们用于检测一个值是否是想要的，他们也可以将结构体或tuple中的多个字段提取到局部变量中。

枚举

来看一个标准库中枚举示例 std::cmp::Ordering，它有三种可能的值：Ordering::Less， Ordering::Equal 和 Ordering::Greater，称为变量或者构造函数：

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#[repr(i8)]
pub enum Ordering {
    Less,
    Equal,
    Greater,
}

我们在使用的时候可以直接导入：

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use std::cmp::Ordering;

//或者
use std::cmp::Ordering::{self, *};

如果导入当前模块的枚举的构造函数可以使用 self：

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enum Pet {
    Orca,
    Giraffe,
    ...
}

use self::Pet::*;

编程中可能经常遇到要用相同的逻辑处理不同的类型，即使这个类型是还没出世的自定义类型。这种能力对于 Rust 来说并不新鲜，它被称为多态性，诞生于 1970 年代的编程语言技术，到现在为止仍然普遍。Rust 支持具有两个相关特性的多态性：Trait 和 泛型。

Trait 是 Rust 对接口或抽象基类的对照实现，它们看起来就像 Java 或 C# 中的接口：

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trait Write {
    fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<usize>;

    fn flush(&mut self) -> Result<()>;

    fn write_all(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<()> { ... }
    ...
}

File，TcpStream 以及 Vec<u8> 都实现了 std::io::Write，这3个类型都提供了 .write()，.flush() 等等方法，我们可以使用 write 方法而不用关心它的实际类型：

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use std::io::Write;

fn say_hello(out: &mut dyn Write) -> std::io::Result<()> {
    out.write_all(b"hello world\n")?;
    out.flush()
}

&mut dyn Write 的意思是任何实现了 Write 的可变引用，我们可以调用 say_hello 并且给他传递这样一个引用：

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use std::fs::File;
let mut local_file = File::create("hello.txt")?;
say_hello(&mut local_file)?; // works

let mut bytes = vec![];
say_hello(&mut bytes)?; // also works
assert_eq!(bytes, b"hello world\n");

泛型函数就像 C++ 中模板函数，一个泛型函数或者类型可以用于许多不同类型的值：

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/// Given two values, pick whichever one is less.
fn min<T: Ord>(value1: T, value2: T) -> T {
    
    if value1 <= value2 {
        value1
    } else {
        value2
    }
}

<T: Ord> 意思是 T 类型必须实现 Ord，这称为边界，因为它设置了 T 可能是哪些类型，编译器为实际使用的每种类型 T 生成自定义机器代码。

我们可以为自定义的类型实现加减乘除操作，只要实现标准库的一些 Trait，这称之为运算符重载。下图是可以重载的运算符和需要对应实现的 Trait 列表：

Rust 中的 Trait 可以分为三类：

1. 语言扩展 Trait：主要用于运算符重载，我们可以将常用的运算符使用在自己的类型之中，只要相应的 Trait 即可，例如 Eq，AddAssign，Dere，Drop 以及 From 和 Into 等；

2. 标记类型 Trait：这些 Trait 主要用于绑定泛型类型变量，以表达无法以其他方式捕获的约束，这些包括 Sized 和 Copy；

3. 剩下的主要是一些为解决常遇到的问题，例如：Default，AsRef，AsMut，Borrow，BorrowMut，TryFrom 和 TryInto；

Drop

Rust 中当一个值离开作用域时就会对它的内存进行清理，但是所有权转移不会，这类似于 C++ 中的析构函数。在 Rust 中我们也可以对析构的过程进行自定义，只要实现 std::ops::Drop 即可，在值需要清理的时候会自动调用 drop 函数，不能显示调用：

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pub trait Drop {
    fn drop(&mut self);
}

通常不需要实现 std::ops::Drop，除非定义了一个拥有 Rust 不知道的资源的类型。 例如，在 Unix 系统上，Rust 的标准库在内部使用以下类型来表示操作系统文件描述符：

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struct FileDesc {
    fd: c_int,
}

FileDesc 的 fd 字段只是程序完成时应该关闭的文件描述符的编号，c_int 是 i32 的别名。标准库为 FileDesc 实现 Drop 如下：

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impl Drop for FileDesc {
    fn drop(&mut self) {
        if self.close_on_drop {
            unsafe { ::libc::close(self.fd); }
        }
    }
}

这里，libc::close 是 C 库关闭函数的 Rust 名称，Rust 仅能在 unsafe 块中调用 C 函数。

如果一个类型实现了 Drop，它就不能实现 Copy，如果类型可 Copy，则意味着简单的逐字节复制足以生成该值的独立副本，但是在相同的数据上多次调用相同的 drop 方法通常是错误的。

标准库预包含的 drop 函数可以显示删除一个值：

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let v = vec![1, 2, 3];

drop(v); // explicitly drop the vector

迭代器是产生一系列值的值，通常用于循环操作。Rust 的标准库提供了遍历vector、字符串、哈希表和其他集合的迭代器，还提供了从输入流生成文本行、网络连接、用于多线程之间值传递的迭代器，Rust 的迭代器灵活、富有表现力且高效。

在 Rust 中，std::iter::Iterator 和 std::iter::IntoIterator 是实现迭代器的基础。

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pub trait Iterator {
    type Item;
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
    ...
}

迭代器可以是任何实现了 Iterator 的值，Item 是每次迭代产生的值，next 要么返回 Some(v)，v 是下一个值，要么返回 None 表示迭代结束。

想要被迭代的类型也可以实现 std::iter::IntoIterator，它的 into_iter 返回一个迭代器：

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pub trait IntoIterator {
    type Item;
    type IntoIter: Iterator;
    fn into_iter(self) -> Self::IntoIter;
}

我们常用的 for 循环仅仅是先调用 into_iter 生成一个迭代器，然后重复调用迭代器的 next 方法，直到 next 返回 None，预示着迭代结束。