2 欢迎来到Rust的世界

2.1 为什么选择Rust

2.1.1 Rust的历史与背景

Rust是一种现代的系统编程语言，它注重性能、安全性和并发。Rust最初由Mozilla研究院的Graydon Hoare于2006年开始设计，最早的目标是为了解决C++在系统编程领域的一些痛点。在2010年，Mozilla正式开始支持这个项目，从那时起，Rust开始迅速发展并逐渐成为一个强大的编程语言。

1. 设计理念

Rust的设计理念是将系统编程的性能与安全性相结合。它的核心创新是引入了一套所有权系统，这套系统能在编译时检测许多常见的内存错误，如空指针解引用、数据竞争等。这种设计使得Rust在保持C和C++级别性能的同时，提供了更高的内存安全性。

2. 发展历程

  • 2006年：Graydon Hoare开始设计Rust。
  • 2009年：Mozilla开始关注Rust，希望它能成为一种更安全的系统编程语言。
  • 2010年：Mozilla正式支持Rust项目。
  • 2012年：Rust的第一个编译器（rustc）实现了自举（即用Rust编写的编译器可以编译自己）。
  • 2014年：Rust 0.9版本发布，从此Rust开始逐渐稳定。
  • 2015年：Rust 1.0正式发布，稳定版本的Rust开始对外提供支持。
  • 2016年：Rust开始获得广泛关注，社区逐渐壮大。
  • 2018年：WebAssembly的推广使得Rust成为一个受欢迎的前端编程语言。

3. 社区与生态系统

随着Rust的发展，其社区和生态系统也在不断壮大。Rust编程语言被广泛应用于各种领域，如网络编程、游戏开发、操作系统、嵌入式系统、区块链等。此外，Rust已经连续多年被Stack Overflow开发者调查评为最受欢迎的编程语言。

Rust的成功和流行归功于其活跃的社区和丰富的第三方库。社区不断努力改进和扩展Rust的功能，使其成为一个更加实用和强大的编程语言。总的来说，Rust的历史与背景显示了Rust是一个充满创新、活力和潜力的编程语言，它将继续为现代软件开发带来更多的机会。

2.1.2 Rust的主要优势

Rust的设计目标是为程序员提供一种高性能、安全且具有现代化特性的系统编程语言。以下是Rust的一些主要优势：

1. 内存安全性

Rust通过其独特的所有权系统、生命周期和借用检查器确保了内存安全。这些功能让Rust能够在编译时检测许多常见的内存错误，如悬垂指针、空指针解引用、数据竞争等。这种设计减少了内存泄漏、悬垂指针等问题的出现，从而使得编写安全的代码变得更加容易。

2. 高性能

Rust注重零开销抽象（zero-cost abstractions），这意味着Rust提供的高级抽象不会对程序性能产生负面影响。Rust的性能与C和C++相当，这使得它成为一个理想的选择，尤其是对于对性能要求较高的系统编程任务。

3. 并发友好

Rust的内存模型和类型系统让并发变得更加简单和安全。通过提供原子操作和线程安全的数据结构，Rust在编译时就可以预防数据竞争等多线程问题。这使得Rust在多核处理器和分布式系统领域具有优势。

4. 易于集成

Rust的C兼容的FFI（Foreign Function Interface）允许轻松地与其他编程语言集成。这使得Rust可以逐步替换现有的C和C++代码，提高系统的安全性和性能，而无需重写整个项目。

5. 生产力与现代化特性

Rust提供了许多现代编程语言的特性，如模式匹配、类型推断、闭包等。这些特性可以提高程序员的生产力，使得编写代码更加愉快。Rust的丰富的标准库和第三方库也使得开发者能够轻松地找到所需的功能。

6. 活跃的社区与生态系统

Rust拥有一个友好、活跃且不断壮大的社区。开发者们分享知识、讨论问题、改进编译器和标准库，这使得Rust不断进化和完善。Rust生态系统的成熟也使得开发者能够更容易地找到和使用高质量的第三方库。

总之，Rust的主要优势在于其内存安全性、高性能、并发友好、易于集成、生产力以及活跃的社区和生态系统。这些优势使得Rust成为一个非常有吸引力的编程语言，尤其适用于需要确保稳定性、安全性和高性能的系统。

随着Rust的普及和发展，越来越多的公司和开发者选择使用Rust来构建他们的项目。大型公司如Mozilla、Microsoft、Google、Amazon和Facebook等都在部分项目中采用了Rust。另外，Rust也在许多新兴领域和开源项目中得到了广泛的应用，例如：

  • 网络编程：通过使用Tokio、Hyper等库，Rust可以构建高性能、可靠的网络应用和服务。
  • WebAssembly：Rust是一个受欢迎的WebAssembly开发语言，可以构建快速、安全的前端应用。
  • 游戏开发：Rust的高性能和内存安全性使其成为游戏开发的理想选择，Amethyst和Bevy等游戏引擎为开发者提供了丰富的功能。
  • 嵌入式系统：Rust的高性能、低内存占用和安全性特性使其在嵌入式系统和物联网领域具有优势。
  • 操作系统：Rust被用于开发一些创新的操作系统项目，如Redox OS和Tock OS等。
  • 区块链技术：Rust在一些区块链项目中得到了应用，如Parity和Solana等。

因此，Rust的主要优势使其在许多领域都具有竞争力，为开发者提供了一个安全、高性能且具有现代化特性的编程工具。Rust的广泛应用和不断壮大的社区证明了其作为一种优秀的编程语言的价值。

2.1.3 Rust在不同领域的应用

Rust的高性能、内存安全和现代化特性使其在许多领域具有广泛的应用。以下是一些Rust在不同领域中的典型应用：

1. 网络编程

在网络编程领域，Rust的性能和安全性特性使其成为构建可靠、高性能服务器和网络应用的理想选择。例如，Tokio是一个使用Rust编写的高性能异步运行时，它可以让开发者轻松地构建高吞吐量、低延迟的服务。同时，Hyper是一个快速的HTTP库，可以用于构建网络客户端和服务器。

2. WebAssembly

Rust在WebAssembly开发中具有很大的优势。由于其性能和安全性，Rust成为了一个受欢迎的WebAssembly目标语言。通过将Rust编译为WebAssembly，开发者可以构建高性能、安全的前端应用程序，提高网页的加载速度和运行效率。

3. 游戏开发

Rust在游戏开发领域具有很大的潜力。其高性能和内存安全性特性使得Rust成为游戏开发的理想选择。Amethyst和Bevy是两个使用Rust编写的游戏引擎，它们为开发者提供了丰富的功能和性能优势。同时，Rust也可以与现有的游戏引擎（如Unity和Unreal Engine）进行集成，提供更安全的原生插件和后端服务。

4. 嵌入式系统和物联网

Rust在嵌入式系统和物联网领域具有优势。由于其高性能、低内存占用和安全性特性，Rust成为了嵌入式设备开发的理想选择。使用Rust可以更容易地构建可靠、安全的嵌入式系统。此外，Rust在实时操作系统（RTOS）如Tock OS等项目中也得到了应用。

5. 操作系统开发

Rust在操作系统开发中具有很大的潜力。其内存安全和高性能特性使得Rust成为开发创新操作系统的理想选择。例如，Redox OS是一个使用Rust编写的现代化、安全的微内核操作系统。

6. 区块链技术

在区块链领域，Rust的高性能和安全性特性使其成为构建区块链系统的理想选择。一些知名的区块链项目，如Parity和Solana，都采用了Rust来实现其核心组件。这些项目展示了Rust在处理高并发、安全性要求高的场景中的能力。

7. 机器学习和数据科学

虽然Python在机器学习和数据科学领域占据主导地位，但Rust也在逐渐成为一个有吸引力的选择。Rust的高性能特性使其在计算密集型任务中具有优势。ArrayFire-rust和ndarray等库提供了高性能的数组计算和线性代数功能，而tch-rs等库则提供了Rust的Torch绑定，允许在Rust中使用深度学习功能。

8. 跨平台开发

Rust具有良好的跨平台支持，可以轻松地在不同的操作系统和硬件架构上运行。这使得Rust成为构建跨平台应用的理想选择。例如，使用Rust编写的GUI库（如druid和iced）可以帮助开发者轻松地构建跨平台的桌面应用。

9. 系统工具与实用程序

Rust在系统工具和实用程序开发中也表现出色。Rust编写的工具可以在性能、安全性和可维护性方面取得优异的表现。例如，ripgrep是一个使用Rust编写的高性能grep工具，它在速度和功能上超越了许多现有的grep实现。

10. Web开发

虽然Rust主要用于系统编程，但它也在Web开发领域取得了一定的成功。使用Rocket、Actix Web和Tide等Web框架，开发者可以用Rust构建高性能、安全的Web应用程序和API服务。

综上所述，Rust在不同领域的应用表明了它作为一种通用编程语言的潜力。随着Rust社区和生态系统的不断壮大，Rust将继续在各个领域发挥越来越重要的作用。

2.2 安装和配置Rust

2.2.1 安装Rust

1. 对于macOS和Linux用户

通过如下命令进行安装：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

2. 对于Windows用户

  • 访问https://rustup.rs/ ，点击"Get started"。
  • 下载rustup-init.exe安装程序。
  • 双击rustup-init.exe运行安装程序，按照提示操作。
  • 在安装过程中，选择默认选项（按回车键）即可。
  • 安装完成后，重启计算机。

特别说明：在本书中，后续的所有的示例都在Ubuntu上进行。

2.2.2 验证安装

安装完成后，可以输入如下命令验证安装：

rustc --version

2.3 第一个Rust程序

本节将编写和运行本书的第一个Rust程序：hello_world

2.3.1 创建一个新的Rust项目

Rust使用Cargo作为官方的构建工具和包管理器，下面通过Cargo创建一个新的Rust项目：

cargo new hello_world

创建后，可以看到整个目录的结构如下：

目录结构

其中Cargo.toml是项目的配置文件，src为源代码目录，main.rs为主程序文件。

2.3.2 编写程序

默认情况下，main.rs文件中已经包含了一个简单的hello_world程序，代码如下：

fn main() {
    println!("Hello, world!");
}

其中，main函数是Rust程序的入口；而println!则是一个Rust宏（而非函数），用于在标准输出上打印一行文本。

2.3.3 编译并运行Hello, World程序

运行程序需要进去到项目目录中，然后运行cargo run命令即可，步骤如下：

cd hello_world
cargo run

运行结果如下：

运行结果

2.3.4 理解Rust源码的基本结构

下面简单介绍Rust源码的结构。

1. main函数

main函数是程序的入口。当运行程序时，main函数将首先被调用。Rust中函数的定义以关键字fn开始，后跟函数名和参数列表，函数体则由一对花括号包围。main函数没有参数，也没有返回值。

2. println!宏

println!是一个用于向控制台输出一行文本的Rust宏。在例子中，我们向println!宏传递了一个字符串字面量"Hello, World!"作为参数。println!宏会将这个字符串作为控制台的输出。