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数据类型

ch03-02-data-types.md
commit 05d9c4c2312a6542f792492d17a62f79ad6dfd7b

在 Rust 中，每一个值都属于某一个 数据类型（data type），这告诉 Rust 它被指定为何种数据，以便明确数据处理方式。我们将看到两类数据类型子集：标量（scalar）和复合（compound）。

记住，Rust 是 静态类型（statically typed）语言，也就是说在编译时就必须知道所有变量的类型。根据值及其使用方式，编译器通常可以推断出我们想要用的类型。当多种类型均有可能时，比如第二章的 “比较猜测的数字和秘密数字” 使用 parse 将 String 转换为数字时，必须增加类型注解，像这样：

let guess: u32 = "42".parse().expect("Not a number!");

这里如果不添加类型注解，Rust 会显示如下错误，这说明编译器需要我们提供更多信息，来了解我们想要的类型：

$ cargo build
   Compiling no_type_annotations v0.1.0 (file:///projects/no_type_annotations)
error[E0282]: type annotations needed
 --> src/main.rs:2:9
  |
2 |     let guess = "42".parse().expect("Not a number!");
  |         ^^^^^ consider giving `guess` a type

error: aborting due to previous error

For more information about this error, try `rustc --explain E0282`.
error: could not compile `no_type_annotations`

To learn more, run the command again with --verbose.

你会看到其它数据类型的各种类型注解。

标量类型

标量（scalar）类型代表一个单独的值。Rust 有四种基本的标量类型：整型、浮点型、布尔类型和字符类型。你可能在其他语言中见过它们。让我们深入了解它们在 Rust 中是如何工作的。

整型

整数 是一个没有小数部分的数字。我们在第二章使用过 u32 整数类型。该类型声明表明，它关联的值应该是一个占据 32 比特位的无符号整数（有符号整数类型以 i 开头而不是 u）。表格 3-1 展示了 Rust 内建的整数类型。在有符号列和无符号列中的每一个变体（例如，i16）都可以用来声明整数值的类型。

表格 3-1: Rust 中的整型

长度 有符号 无符号
8-bit i8 u8
16-bit i16 u16
32-bit i32 u32
64-bit i64 u64
128-bit i128 u128
arch isize usize

每一个变体都可以是有符号或无符号的，并有一个明确的大小。有符号 和 无符号 代表数字能否为负值，换句话说，这个数字是否有可能是负数（有符号数），或者永远为正而不需要符号（无符号数）。这有点像在纸上书写数字：当需要考虑符号的时候，数字以加号或减号作为前缀；然而，可以安全地假设为正数时，加号前缀通常省略。有符号数以补码形式（two’s complement representation） 存储。

每一个有符号的变体可以储存包含从 -(2n - 1) 到 2n - 1 - 1 在内的数字，这里 n 是变体使用的位数。所以 i8 可以储存从 -(27) 到 27 - 1 在内的数字，也就是从 -128 到 127。无符号的变体可以储存从 0 到 2n - 1 的数字，所以 u8 可以储存从 0 到 28 - 1 的数字，也就是从 0 到 255。

另外，isize 和 usize 类型依赖运行程序的计算机架构：64 位架构上它们是 64 位的， 32 位架构上它们是 32 位的。

可以使用表格 3-2 中的任何一种形式编写数字字面值。请注意可以是多种数字类型的数字字面值允许使用类型后缀，例如 57u8 来指定类型，同时也允许使用 _ 做为分隔符以方便读数，例如1_000，它的值与你指定的 1000 相同。

表格 3-2: Rust 中的整型字面值

数字字面值 例子
Decimal (十进制) 98_222
Hex (十六进制) 0xff
Octal (八进制) 0o77
Binary (二进制) 0b1111_0000
Byte (单字节字符)(仅限于u8) b'A'

那么该使用哪种类型的数字呢？如果拿不定主意，Rust 的默认类型通常是个不错的起点，数字类型默认是 i32。isize 或 usize 主要作为某些集合的索引。

整型溢出

比方说有一个 u8 ，它可以存放从零到 255 的值。那么当你将其修改为 256 时会发生什么呢？这被称为 “整型溢出”（“integer overflow” ），关于这一行为 Rust 有一些有趣的规则。当在 debug 模式编译时，Rust 检查这类问题并使程序 panic，这个术语被 Rust 用来表明程序因错误而退出。第九章 “panic! 与不可恢复的错误” 部分会详细介绍 panic。

在 release 构建中，Rust 不检测溢出，相反会进行一种被称为二进制补码包装（two’s complement wrapping）的操作。简而言之，值 256 变成 0，值 257 变成 1，依此类推。依赖整型溢出被认为是一种错误，即便可能出现这种行为。如果你确实需要这种行为，标准库中有一个类型显式提供此功能，Wrapping。 为了显式地处理溢出的可能性，你可以使用标准库在原生数值类型上提供的以下方法:

  • 所有模式下都可以使用 wrapping_* 方法进行包装，如 wrapping_add
  • 如果 check_* 方法出现溢出，则返回 None值
  • 用 overflowing_* 方法返回值和一个布尔值，表示是否出现溢出
  • 用 saturating_* 方法在值的最小值或最大值处进行饱和处理

浮点型

Rust 也有两个原生的 浮点数（floating-point numbers）类型，它们是带小数点的数字。Rust 的浮点数类型是 f32 和 f64，分别占 32 位和 64 位。默认类型是 f64，因为在现代 CPU 中，它与 f32 速度几乎一样，不过精度更高。

这是一个展示浮点数的实例：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let x = 2.0; // f64

    let y: f32 = 3.0; // f32
}

浮点数采用 IEEE-754 标准表示。f32 是单精度浮点数，f64 是双精度浮点数。

数值运算

Rust 中的所有数字类型都支持基本数学运算：加法、减法、乘法、除法和取余。整数除法会向下舍入到最接近的整数。下面的代码展示了如何在 let 语句中使用它们：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    // 加法
    let sum = 5 + 10;

    // 减法
    let difference = 95.5 - 4.3;

    // 乘法
    let product = 4 * 30;

    // 除法
    let quotient = 56.7 / 32.2;
    let floored = 2 / 3; // 结果为 0

    // 取余
    let remainder = 43 % 5;
}

这些语句中的每个表达式使用了一个数学运算符并计算出了一个值，然后绑定给一个变量。附录 B 包含 Rust 提供的所有运算符的列表。

布尔型

正如其他大部分编程语言一样，Rust 中的布尔类型有两个可能的值：true 和 false。Rust 中的布尔类型使用 bool 表示。例如：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let t = true;

    let f: bool = false; // 显式指定类型注解
}

使用布尔值的主要场景是条件表达式，例如 if 表达式。在 “控制流”（“Control Flow”） 部分将介绍 if 表达式在 Rust 中如何工作。

字符类型

目前为止只使用到了数字，不过 Rust 也支持字母。Rust 的 char 类型是语言中最原生的字母类型，如下代码展示了如何使用它。（注意 char 由单引号指定，不同于字符串使用双引号。）

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let c = 'z';
    let z = 'ℤ';
    let heart_eyed_cat = '😻';
}

Rust 的 char 类型的大小为四个字节(four bytes)，并代表了一个 Unicode 标量值（Unicode Scalar Value），这意味着它可以比 ASCII 表示更多内容。在 Rust 中，拼音字母（Accented letters），中文、日文、韩文等字符，emoji（绘文字）以及零长度的空白字符都是有效的 char 值。Unicode 标量值包含从 U+0000 到 U+D7FF 和 U+E000 到 U+10FFFF 在内的值。不过，“字符” 并不是一个 Unicode 中的概念，所以人直觉上的 “字符” 可能与 Rust 中的 char 并不符合。第八章的 “使用字符串存储 UTF-8 编码的文本” 中将详细讨论这个主题。

复合类型

复合类型（Compound types）可以将多个值组合成一个类型。Rust 有两个原生的复合类型：元组（tuple）和数组（array）。

元组类型

元组是一个将多个其他类型的值组合进一个复合类型的主要方式。元组长度固定：一旦声明，其长度不会增大或缩小。

我们使用包含在圆括号中的逗号分隔的值列表来创建一个元组。元组中的每一个位置都有一个类型，而且这些不同值的类型也不必是相同的。这个例子中使用了可选的类型注解：

文件名: src/main.rs

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

tup 变量绑定到整个元组上，因为元组是一个单独的复合元素。为了从元组中获取单个值，可以使用模式匹配（pattern matching）来解构（destructure）元组值，像这样：

文件名: src/main.rs

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

    let (x, y, z) = tup;

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

程序首先创建了一个元组并绑定到 tup 变量上。接着使用了 let 和一个模式将 tup 分成了三个不同的变量，x、y 和 z。这叫做 解构（destructuring），因为它将一个元组拆成了三个部分。最后，程序打印出了 y 的值，也就是 6.4。

除了使用模式匹配解构外，也可以使用点号（.）后跟值的索引来直接访问它们。例如：

文件名: 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;
}

这个程序创建了一个元组，x，并接着使用索引为每个元素创建新变量。跟大多数编程语言一样，元组的第一个索引值是 0。

没有任何值的元组 () 是一种特殊的类型，只有一个值，也写成 () 。该类型被称为 单元类型（unit type），而该值被称为 单元值（unit value）。如果表达式不返回任何其他值，则会隐式返回单元值。

数组类型

另一个包含多个值的方式是 数组（array）。与元组不同，数组中的每个元素的类型必须相同。Rust 中的数组与一些其他语言中的数组不同，因为 Rust 中的数组是固定长度的：一旦声明，它们的长度不能增长或缩小。

Rust 中，数组中的值位于中括号内的逗号分隔的列表中：

文件名: src/main.rs

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

当你想要在栈（stack）而不是在堆（heap）上为数据分配空间（第四章将讨论栈与堆的更多内容），或者是想要确保总是有固定数量的元素时，数组非常有用。但是数组并不如 vector 类型灵活。vector 类型是标准库提供的一个 允许 增长和缩小长度的类似数组的集合类型。当不确定是应该使用数组还是 vector 的时候，你可能应该使用 vector。第八章会详细讨论 vector。

一个你可能想要使用数组而不是 vector 的例子是，当程序需要知道一年中月份的名字时。程序不大可能会去增加或减少月份。这时你可以使用数组，因为我们知道它总是包含 12 个元素：

let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];

可以像这样编写数组的类型：在方括号中包含每个元素的类型，后跟分号，再后跟数组元素的数量。

let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

这里，i32 是每个元素的类型。分号之后，数字 5 表明该数组包含五个元素。

以这种方式编写数组的类型看起来类似于初始化数组的另一种语法：如果要为每个元素创建包含相同值的数组，可以指定初始值，后跟分号，然后在方括号中指定数组的长度，如下所示：

let a = [3; 5];

变量名为 a 的数组将包含 5 个元素，这些元素的值最初都将被设置为 3。这种写法与 let a = [3, 3, 3, 3, 3]; 效果相同，但更简洁。

访问数组元素

数组是可以在堆栈上分配的已知固定大小的单个内存块。可以使用索引来访问数组的元素，像这样：

文件名: src/main.rs

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

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

在这个例子中，叫做 first 的变量的值是 1，因为它是数组索引 [0] 的值。变量 second 将会是数组索引 [1] 的值 2。

无效的数组元素访问

如果我们访问数组结尾之后的元素会发生什么呢？比如你将上面的例子改成下面这样，它使用类似于第 2 章中的猜数字游戏的代码从用户那里获取数组索引：

文件名: 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 {} is: {}",
        index, element
    );
}

此代码编译成功。如果您使用 cargo run 运行此代码并输入 0、1、2、3 或 4，程序将在数组中的索引处打印出相应的值。如果你输入一个超过数组末端的数字，如 10，你会看到这样的输出：

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 5 but the index is 10', src/main.rs:19:19
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrac

程序在索引操作中使用一个无效的值时导致 运行时 错误。程序带着错误信息退出，并且没有执行最后的 println! 语句。当尝试用索引访问一个元素时，Rust 会检查指定的索引是否小于数组的长度。如果索引超出了数组长度，Rust 会 panic，这是 Rust 术语，它用于程序因为错误而退出的情况。这种检查必须在运行时进行，特别是在这种情况下，因为编译器不可能知道用户在以后运行代码时将输入什么值。

这是第一个在实战中遇到的 Rust 安全原则的例子。在很多底层语言中，并没有进行这类检查，这样当提供了一个不正确的索引时，就会访问无效的内存。通过立即退出而不是允许内存访问并继续执行，Rust 让你避开此类错误。第九章会讨论更多 Rust 的错误处理。