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====== 第一章 Rust基础 ======

===== 1.1 Rust简介与安装 =====

==== 什么是Rust ====

Rust是一门专注于安全、速度和并发性的系统编程语言。它由Graydon Hoare在2006年开始设计，2010年由Mozilla正式发布。Rust的设计目标是提供C++级别的性能和控制，同时保证内存安全和线程安全。

**Rust的主要优势：**
  - **内存安全**：通过所有权系统消除空指针、悬垂指针、数据竞争等问题
  - **零成本抽象**：高级特性不带来运行时开销
  - **现代化工具链**：Cargo包管理器、内置测试、文档生成
  - **跨平台**：支持Windows、macOS、Linux及嵌入式平台

==== 安装Rust ====

Rust通过**rustup**工具链安装管理器进行安装，这是官方推荐的安装方式。

**Linux/macOS安装：**
<code bash>
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
</code>

**Windows安装：**
访问 https://rustup.rs/ 下载并运行 rustup-init.exe

安装完成后，需要重新加载环境变量或重启终端：
<code bash>
source $HOME/.cargo/env  # Linux/macOS
</code>

==== 验证安装 ====

安装完成后，验证Rust是否正确安装：

<code bash>
# 查看Rust编译器版本
rustc --version
# 输出示例：rustc 1.75.0 (82e1608df 2023-12-21)

# 查看Cargo版本
cargo --version
# 输出示例：cargo 1.75.0
</code>

===== 1.2 Cargo：Rust的构建工具和包管理器 =====

==== Cargo是什么 ====

Cargo是Rust的构建系统、包管理器和通用工具。它能够：
  * 构建代码（编译项目）
  * 下载并管理依赖库
  * 运行测试
  * 生成文档
  * 发布到 crates.io

==== 创建新项目 ====

使用cargo new创建新项目：

<code bash>
# 创建可执行程序项目
cargo new hello_cargo
cd hello_cargo

# 创建库项目
cargo new my_library --lib
</code>

项目结构：

<code>
hello_cargo/
├── Cargo.toml    # 项目配置和依赖
├── .gitignore    # Git忽略文件
└── src/
    └── main.rs   # 程序入口
</code>

==== Cargo.toml详解 ====

Cargo.toml是项目的配置文件，使用TOML格式：

<code toml>
[package]
name = "hello_cargo"
version = "0.1.0"
edition = "2021"
authors = ["Your Name <email@example.com>"]
description = "A sample project"
license = "MIT OR Apache-2.0"
repository = "https://github.com/username/hello_cargo"

[dependencies]
# 依赖库
serde = { version = "1.0", features = ["derive"] }
tokio = { version = "1", features = ["full"] }

[dev-dependencies]
# 开发依赖

[[bin]]
# 可执行文件配置
name = "hello_cargo"
path = "src/main.rs"
</code>

==== Cargo常用命令 ====

<code bash>
cargo new project_name        # 创建新项目
cargo build                   # 编译项目（debug模式）
cargo build --release         # 编译优化版本
cargo run                     # 编译并运行
cargo check                   # 快速检查代码（不生成可执行文件）
cargo test                    # 运行测试
cargo doc                     # 生成文档
cargo doc --open              # 生成并打开文档
cargo publish                 # 发布到crates.io
cargo update                  # 更新依赖
cargo clean                   # 清理构建产物
</code>

===== 1.3 编写第一个Rust程序 =====

==== Hello, World! ====

编辑 src/main.rs：

<code rust>
fn main() {
    println!("Hello, World!");
}
</code>

运行程序：

<code bash>
cargo run
</code>

==== 代码解析 ====

  * **fn main()**：程序的入口函数，每个可执行程序必须有一个
  * **println!**：宏（macro），用于打印到控制台并换行
  * **分号**：Rust语句以分号结尾

===== 1.4 基本语法 =====

==== 变量与可变性 ====

Rust默认变量是不可变的（immutable）：

<code rust>
fn main() {
    let x = 5;
    println!("x的值为：{}", x);
    
    // x = 6;  // 错误！不能修改不可变变量
    
    let mut y = 5;  // mut表示可变
    println!("y的值为：{}", y);
    y = 6;          // 正确
    println!("y的新值为：{}", y);
}
</code>

==== 常量 ====

常量在编译期确定，且总是不可变的：

<code rust>
const MAX_POINTS: u32 = 100_000;
const PI: f64 = 3.14159;
</code>

常量的命名规范：全大写，单词间用下划线分隔。

==== 变量遮蔽（Shadowing） ====

可以声明同名新变量来遮蔽旧变量：

<code rust>
fn main() {
    let x = 5;
    let x = x + 1;      // 新x遮蔽旧x
    let x = x * 2;      // 再次遮蔽
    
    println!("x的值为：{}", x);  // 输出：12
    
    // 可以改变类型
    let spaces = "   ";
    let spaces = spaces.len();  // 从&str变成usize
}
</code>

遮蔽与mut的区别：
  * 遮蔽创建新变量，可以改类型
  * mut修改同一变量，不能改类型

===== 1.5 数据类型 =====

Rust是静态类型语言，编译时必须知道所有变量的类型。

==== 标量类型 ====

**整数类型：**

| 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 |

<code rust>
let a: i32 = 98_222;     // 十进制
let b: i32 = 0xff;       // 十六进制
let c: i32 = 0o77;       // 八进制
let d: i32 = 0b1111_0000; // 二进制
let e: u8 = b'A';        // 字节（仅限于u8）
</code>

**浮点类型：**

<code rust>
let x = 2.0;        // f64（默认）
let y: f32 = 3.0;   // f32
</code>

**布尔类型：**

<code rust>
let t = true;
let f: bool = false;
</code>

**字符类型：**

<code rust>
let c = 'z';
let z: char = 'ℤ';
let heart_eyed_cat = '😻';  // Unicode标量值
</code>

==== 复合类型 ====

**元组（Tuple）：**

固定长度，可以包含不同类型：

<code rust>
let tup: (i32, f64, u8) = (500, 6.4, 1);

// 解构
let (x, y, z) = tup;

// 通过索引访问
let five_hundred = tup.0;
let six_point_four = tup.1;
</code>

**数组（Array）：**

固定长度，元素类型相同：

<code rust>
let a = [1, 2, 3, 4, 5];
let months = ["January", "February", "March"];

// 指定类型和长度
let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

// 初始化5个3
let a = [3; 5];  // [3, 3, 3, 3, 3]

// 访问元素
let first = a[0];
let second = a[1];
</code>

===== 1.6 函数 =====

==== 定义函数 ====

<code rust>
fn main() {
    println!("Hello, world!");
    another_function();
}

fn another_function() {
    println!("另一个函数！");
}
</code>

==== 函数参数 ====

<code rust>
fn main() {
    print_labeled_measurement(5, 'h');
}

fn print_labeled_measurement(value: i32, unit_label: char) {
    println!("测量值：{}{}", value, unit_label);
}
</code>

==== 语句与表达式 ====

  * **语句**：执行操作但不返回值
  * **表达式**：计算并返回值

<code rust>
fn main() {
    let y = {
        let x = 3;
        x + 1       // 表达式（没有分号）
    };
    
    println!("y的值为：{}", y);  // 4
}
</code>

==== 返回值 ====

<code rust>
fn five() -> i32 {
    5  // 隐式返回（无分号）
}

fn plus_one(x: i32) -> i32 {
    x + 1  // 也可以写 return x + 1;
}

fn main() {
    let x = five();
    println!("five()返回：{}", x);
    
    let y = plus_one(5);
    println!("plus_one(5)返回：{}", y);
}
</code>

===== 1.7 注释 =====

<code rust>
// 单行注释

/*
 * 块注释
 * 可以跨多行
 */

/// 文档注释（用于函数、结构体等）
fn documented_function() {}

/*!
 * 模块级文档注释
 */
</code>

===== 1.8 控制流 =====

==== if表达式 ====

<code rust>
let number = 6;

if number % 4 == 0 {
    println!("能被4整除");
} else if number % 3 == 0 {
    println!("能被3整除");
} else if number % 2 == 0 {
    println!("能被2整除");
} else {
    println!("不能被4、3或2整除");
}
</code>

if是表达式，可以用于赋值：

<code rust>
let condition = true;
let number = if condition { 5 } else { 6 };
</code>

==== 循环 ====

**loop：无限循环**

<code rust>
let mut counter = 0;

let result = loop {
    counter += 1;
    
    if counter == 10 {
        break counter * 2;  // 返回值
    }
};

println!("结果：{}", result);  // 20
</code>

**while条件循环：**

<code rust>
let mut number = 3;

while number != 0 {
    println!("{}!", number);
    number -= 1;
}

println!("发射！");
</code>

**for遍历：**

<code rust>
let a = [10, 20, 30, 40, 50];

for element in a.iter() {
    println!("值为：{}", element);
}

// 范围遍历
for number in 1..4 {  // 1, 2, 3
    println!("{}!", number);
}

// 包含4
for number in 1..=4 {  // 1, 2, 3, 4
    println!("{}!", number);
}

// 反向
for number in (1..4).rev() {
    println!("{}!", number);
}
</code>

===== 练习题 =====

==== 练习题1.1：温度转换 ====

编写程序将华氏度转换为摄氏度，或反之。公式：C = (F - 32) × 5/9

<code rust>
fn fahrenheit_to_celsius(f: f64) -> f64 {
    (f - 32.0) * 5.0 / 9.0
}

fn celsius_to_fahrenheit(c: f64) -> f64 {
    c * 9.0 / 5.0 + 32.0
}

fn main() {
    let f = 68.0;
    let c = fahrenheit_to_celsius(f);
    println!("{}°F = {:.2}°C", f, c);
}
</code>

==== 练习题1.2：斐波那契数列 ====

生成第n个斐波那契数。

<code rust>
fn fibonacci(n: u32) -> u32 {
    match n {
        0 => 0,
        1 => 1,
        _ => fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2),
    }
}

fn main() {
    for i in 0..10 {
        println!("fib({}) = {}", i, fibonacci(i));
    }
}
</code>

==== 练习题1.3：圣诞颂歌 ====

使用循环打印"The Twelve Days of Christmas"的歌词。

<code rust>
fn main() {
    let days = ["first", "second", "third", "fourth", "fifth", "sixth",
                "seventh", "eighth", "ninth", "tenth", "eleventh", "twelfth"];
    
    let gifts = [
        "a partridge in a pear tree",
        "two turtle doves",
        "three French hens",
        "four calling birds",
        "five golden rings",
        "six geese a-laying",
        "seven swans a-swimming",
        "eight maids a-milking",
        "nine ladies dancing",
        "ten lords a-leaping",
        "eleven pipers piping",
        "twelve drummers drumming"
    ];
    
    for day in 0..12 {
        println!("On the {} day of Christmas, my true love gave to me:", days[day]);
        
        for gift in (0..=day).rev() {
            if gift == 0 && day != 0 {
                print!("And ");
            }
            println!("{}", gifts[gift]);
        }
        println!();
    }
}
</code>

===== 本章小结 =====

本章介绍了Rust的基础知识：

  * Rust通过rustup安装，Cargo是构建工具和包管理器
  * 变量默认不可变，使用mut关键字使其可变
  * Rust有四种标量类型：整数、浮点、布尔、字符
  * 两种复合类型：元组（固定长度、不同类型）和数组（固定长度、相同类型）
  * 函数参数必须声明类型，语句无返回值，表达式有返回值
  * 控制流包括if表达式、loop、while和for循环

在下一章中，我们将深入探讨Rust最核心的特性——**所有权系统**，这是理解Rust内存管理的关键。