• Gopher的Rust第一课：第一个Rust程序

    经过上一章[1]的学习，我想现在你已经成功安装好一个Rust开发环境了，是时候撸起袖子开始写Rust代码了！

    程序员这个历史并不算悠久的行当，却有着一个历史悠久的传统，那就是每种编程语言都将一个名为“hello, world”的示例作为这门语言学习的第一个例子，这个传统始于20世纪70年代那本大名鼎鼎的由布莱恩·科尼根（Brian W. Kernighan）与C语言之父丹尼斯·里奇（Dennis M. Ritchie）合著的《C程序设计语言》。

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    在这一章中，我们也将遵从传统，从编写和运行一个可以打印出“hello, world”的Rust示例程序开始我们正式的Rust编码之旅。我希望通过这个示例程序你能够对Rust程序结构有一个直观且清晰的认识。

    3.1 Hello, World

    “Hello, World”是一门编程语言的最简单示例的表达形式。在Go中，我们可以像下面这样编写Go版本的Hello, World程序：

    1. package main
    2.  
    3. func main() {
    4.     println("Hello, World!")
    5. }

    为了简单，我们甚至没有使用fmt包的Printf系列函数（这样就可以减少一行导入包的语句），而是用了内置函数println来完成将“Hello, World”输出到控制台（更准确的说是标准错误(stderr)）的任务。

    Rust版本的Hello, World可以比Go还要简洁，我们在一个目录下（比如rust-guide-for-gopher/helloworld/rustc）创建一个hello_world.rs的文件。哦，没错！rust的源码文件都是以.rs作为源文件扩展名的。并且对于多个单词构成的文件名，rust的惯例是采用全小写单词+下划线连接的方式命名。这个hello_world.rs文件的内容如下：

    1. fn main() {
    2.     println!("Hello, World!");
    3. }

    相比于Go在每个源文件中都要使用package指定该文件归属的包名，Rust无需这样的一行。和Go一样，这里的main是函数，所有可执行的Rust程序都必须有一个main函数，它是Rust程序的入口函数。和Go使用func函数声明函数不同，Rust声明函数的关键字为fn。在这个main函数中，我们调用println!将“Hello, World!”输出到控制台上。

    不过，和Go内置的println函数不同的是，这里的println!并非是一个函数，而是一个**Rust宏(macro)**。

    如果你只是学过Go，而没有学过C/C++语言，你甚至都不会知道宏(macro)是什么。在Rust中，宏是一种用于代码生成和转换的元编程工具。宏允许你在编译时根据一定的模式或规则来扩展代码。Rust宏分为声明宏（Declarative Macros）和过程宏（Procedural Macros）。println!就属于声明宏，它由macro_rules! 宏定义，我们在Rust标准库的源码中可以看到其定义：

    1. // $(rustc --print sysroot)/lib/rustlib/src/rust/library/std/src/macros.rs
    2.  
    3. #[macro_export]
    4. #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
    5. #[cfg_attr(not(test), rustc_diagnostic_item = "println_macro")]
    6. #[allow_internal_unstable(print_internals, format_args_nl)]
    7. macro_rules! println {
    8.     () => {
    9.         $crate::print!("\n")
    10.     };
    11.     ($($arg:tt)*) => {{
    12.         $crate::io::_print($crate::format_args_nl!($($arg)*));
    13.     }};
    14. }

    在Rust源码编译过程中，声明宏是在最开始的预处理阶段进行扩展的，我们也可以通过nightly版的rustc命令来查看println!宏展开后的结果(-Z选项只能在nightly版本中使用)：

    1. $rustc +nightly-2022-07-14-x86_64-apple-darwin  -Zunpretty=expanded  hello_world.rs
    2. #![feature(prelude_import)]
    3. #![no_std]
    4. #[prelude_import]
    5. use ::std::prelude::rust_2015::*;
    6. #[macro_use]
    7. extern crate std;
    8. fn main() {
    9.     {
    10.         ::std::io::_print(::core::fmt::Arguments::new_v1(&["Hello, World!\n"],
    11.                 &[]));
    12.     };
    13. }

    我们看到：println!宏被替换为一个标准库下的函数(_print)的调用。btw，到这里，你可能和我一样，看不懂println!展开后的代码，没关系，我们后续会逐步学习并掌握这些语法的。此外，宏是Rust的高级特性，这里也不展开说了。

    另外一个和Go在语法上有所不同的是，Rust在每行语句后面都要显式使用分号，对于Gopher而言，这个很容易遗忘。

    接下来，我们来编译和运行一下这个Rust版的Hello，World!，编译运行Rust代码的最简单方法就是通过rustc编译器将rust源码文件编译为可执行程序：

    1. $rustc hello_world.rs
    2.  
    3. $ls
    4. hello_world*  hello_world.rs

    我们看到，示例通过调用rustc将hello_world.rs编译为了hello_world可执行文件。

    运行rustc编译后的可执行文件将得到下面输出结果：

    1. $./hello_world
    2. Hello, World!

    我们看到"Hello, World!"被打印到控制台。

    如果觉得默认编译出的hello_world文件名字较长，我们也可以像go build -o那样指定rustc编译后得到的目标可执行文件的名字，下面的命令通过-o选项将编译后的程序命名为hello：

    $rustc -o hello hello_world.rs

    rustc编译出来的二进制文件size并不大，仅有400多KB（而Go默认构建的Hello, World!有1.3MB，在我的macOS上）：

    1. $ls -lh
    2. total 856
    3. -rwxr-xr-x  1 tonybai  staff   423K  4 20 17:56 hello_world*

    我们还可以通过去掉symbols的方式继续让其“瘦身”到不到300KB(通过go build -ldflags="-s -w" helloworld.go去除符号表和调试信息的Go二进制程序还有近900K的大小)：

    1. $rustc -C strip=symbols hello_world.rs 
    2. $ll -h
    3. total 608
    4. -rwxr-xr-x  1 tonybai  staff   297K  4 20 17:57 hello_world*

    上面的"Hello, World"程序虽然足够简单，也能够运行，但对于初学者而言，它有两个“不足”：一来这个例子的确“太简单”，简单到无法充分展示单个Rust源码文件的结构；二来这个示例只使用了一个单个源文件，与实际开发中那种由多个文件组成的Rust实用工程有差别，同样无法帮助我们理解实用性的Rust工程的结构。

    为了更好地理解Rust工程与单个源文件的构成，我们将编写一个稍微复杂一点的版本，它将使用Rust的构建管理工具cargo建立，并使用Rust标准库中的std::io模块进行输入/输出操作。

    3.2 cargo版本的Hello, World

    在实际开发中，Rust程序通常由多个源文件组成，并使用Cargo作为构建系统和包管理器。Cargo可以帮助我们管理项目的源代码、依赖库、构建任务等。下面我们就来创建一个使用Cargo的"Hello, World"。

    3.2.1 使用Cargo创建Hello，World

    我们在一个目录下（比如：rust-guide-for-gopher/helloworld/cargo）执行下面命令来创建hello_world：

    1. $cargo new hello_world
    2.     Created binary (application) `hello_world` package

    cargo默认创建了一个binary（application）类型的rust package，我们来看看初始情况下这个rust package下都有哪些内容：

    1. $tree hello_world 
    2. hello_world
    3. ├── Cargo.toml
    4. └── src
    5.     └── main.rs
    6.  
    7. 1 directory, 2 files

    其中，Cargo.toml是Rust包的清单(manifest)文件。它包含有关包及其依赖项的元数据。以下是上面Cargo.toml文件的全部内容：

    1. // Cargo.toml
    2. [package]
    3. name = "hello_world"
    4. version = "0.1.0"
    5. edition = "2021"
    6.  
    7. # See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html
    8.  
    9. [dependencies]

    其中package下面的字段含义如下：

    • name: 包的名称；

    • version: 包的版本，遵循语义化版本控制规则；

    • edition: 包使用的Rust版本(edition)。在这里，它被设置为目前的最新edition：2021版。edition提供了一种向后兼容的方式来演化和改进Rust。每个edition都是向后兼容的，这意味着旧edition下编写的Rust代码可以继续在新edition版本的Rust下编译和运行，而无需进行修改。这样，开发者可以按照自己的节奏选择是否迁移到新的edition。

    dependencies下面则是会记录该package对第三方依赖的情况，这个示例中并无三方依赖，因此这里为空。

    我们的代码放在了src目录下，这也是rust包的标准布局。为了更好地理解Rust程序的构成，我们将编写一个稍微复杂一点的Hello, World!版本，它使用Rust标准库中的std::io模块进行输入/输出操作：

    1. // rust-guide-for-gopher/helloworld/cargo/hello_world/src/main.rs
    2. use std::io;
    3. use std::io::Write;
    4.  
    5. fn main() {
    6.     let mut output = io::stdout();
    7.     output.write(b"Hello, World!").unwrap();
    8.     output.flush().unwrap();
    9. }

    这个Rust的"Hello, World"程序展示了一个典型的Rust源文件结构，包括导入语句、主函数定义以及一系列的方法调用。它演示了如何使用标准库的io模块来向标准输出流打印"Hello, World!"。下面是对其程序结构的简单总结：

    1. 导入语句

    源文件在最开始处使用use std::io; 和use std::io::Write;这两行导入了标准库中的io模块及其Write trait。这样程序就可以在后面的代码中直接使用io和Write，而无需完整地写出它们的命名空间。这里我们先不用关心trait是什么，你大可将其理解为和Go interface差不多的语法元素就行了。

    1. 主函数

    main定义了程序的入口点。Rust 程序从main函数开始执行。

    1. 可变变量

    let mut output = io::stdout(); 这行代码创建了一个可变变量output，它绑定到了一个标准输出流（stdout）。mut关键字表示该变量是可变的，可以在后续代码中修改它的值。关于变量以及绑定，我们在后面有专门的章节说明。这里要注意的是，和Go变量不同的是，Rust中的变量默认是不可变的，只有显式用mut声明的变量才是可变的。

    1. 方法调用

    output.write(b"Hello, World!").unwrap(); 调用了output的write方法，传递了一个字节串作为参数。该方法用于将字节写入输出流。unwrap方法用于处理方法调用可能产生的错误，它在这里表示“我相信这个方法调用会成功，如果不成功，就让程序 panic”。同理，output.flush().unwrap()也是这样的。关于错误以及异常处理的话题，我们会在后面进行专题性学习。

    理解了源码后，我们来编译和运行一下这个程序，这次我们不再使用rustc，而是用cargo来实现。

    3.2.2 使用Cargo构建Hello, World

    要构建上面的示例程序，我们只需在项目根目录下运行下面命令:

    1. $cargo build
    2.    Compiling hello_world v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/helloworld/cargo/hello_world)
    3.     Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.23s

    构建成功后，我们再来查看一下当前项目下的结构变化：

    1. $tree -F
    2. .
    3. ├── Cargo.lock
    4. ├── Cargo.toml
    5. ├── src/
    6. │   └── main.rs
    7. └── target/
    8.     ├── CACHEDIR.TAG
    9.     └── debug/
    10.         ├── build/
    11.         ├── deps/
    12.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479*
    13.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.1atc14vk0u28taij.rcgu.o
    14.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.1bu89c2i9mazzqif.rcgu.o
    15.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.26e3nxhmk9lhy9zy.rcgu.o
    16.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.29l81xyv0i4g8s88.rcgu.o
    17.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.41i7ln85cwseljfw.rcgu.o
    18.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.4iz3ubiqrvegnjdp.rcgu.o
    19.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.53vu8cjirf8g6rnw.rcgu.o
    20.         │   ├── hello_world-07284f5d84374479.5f6ye0ayl23rccqv.rcgu.o
    21.         │   └── hello_world-07284f5d84374479.d
    22.         ├── examples/
    23.         ├── hello_world*
    24.         ├── hello_world.d
    25.         └── incremental/
    26.             └── hello_world-16yuztatbr0vh/
    27.                 ├── s-gvfwmugno5-1gy801r-1i2g78r4nmg489ix0nuktmqgb/
    28.                 │   ├── 1atc14vk0u28taij.o
    29.                 │   ├── 1bu89c2i9mazzqif.o
    30.                 │   ├── 26e3nxhmk9lhy9zy.o
    31.                 │   ├── 29l81xyv0i4g8s88.o
    32.                 │   ├── 41i7ln85cwseljfw.o
    33.                 │   ├── 4iz3ubiqrvegnjdp.o
    34.                 │   ├── 53vu8cjirf8g6rnw.o
    35.                 │   ├── 5f6ye0ayl23rccqv.o
    36.                 │   ├── dep-graph.bin
    37.                 │   ├── query-cache.bin
    38.                 │   └── work-products.bin
    39.                 └── s-gvfwmugno5-1gy801r.lock*
    40.  
    41. 9 directories, 28 files

    我们看到cargo build执行后，项目下多出了好多目录和文件。这些目录和文件都是做什么的呢？我们挑选主要的来看一下。

    • Cargo.lock文件

    Cargo的锁定文件，用于记录每个依赖项的确切版本号，以保证构建的可重复性。

    这个示例中由于没有使用第三方依赖，这个Cargo.lock文件中的内容不具典型性：

    1. # This file is automatically @generated by Cargo.
    2. # It is not intended for manual editing.
    3. version = 3
    4.  
    5. [[package]]
    6. name = "hello_world"
    7. version = "0.1.0"

    另外Cargo.lock文件完全由cargo自动管理，开发人员不需要也不应该对其进行手动修改。

    • target目录

    存放构建输出的目录，用于存储编译后的目标文件和可执行文件。

    • target/CACHEDIR.TAG

    用于标记target目录为一个缓存目录的文件。它的内容如下：

    1. $cat CACHEDIR.TAG 
    2. Signature: 8a477f597d28d172789f06886806bc55
    3. # This file is a cache directory tag created by cargo.
    4. # For information about cache directory tags see https://bford.info/cachedir/

    这是一个符合Cache Directory Tagging Specification[2]的Tag文件。

    • target/debug

    调试模式下的构建输出目录，存储生成的可执行文件和相关文件。

    • target/debug/incremental

    增量编译的目录，用于存储增量编译过程中的临时文件和缓存。

    Rust编译过程缓慢，这个对比Go简直就是地下天上。在日常开发中，基于增量编译的文件进行增量构建可以大幅缩短编译时间。

    • target/debug/build

    编译过程中生成的临时构建文件的目录。

    • target/debug/deps

    存储编译生成的目标文件（.o 文件）和相关的依赖项。

    • target/debug/hello_world

    调试模式下生成的可执行文件。

    • target/debug/hello_world.d

    与hello_world相关的依赖关系信息的文件。

    执行debug目录下的hello_world将得到如下输出：

    1. $./target/debug/hello_world 
    2. Hello, World!

    在Go中我们可以使用go run来直接编译和运行Go源码文件，cargo也提供了该功能，我们在项目根目录下运行cargo run也可以编译和执行hello_world：

    1. $cargo run
    2.     Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.05s
    3.      Running `target/debug/hello_world`
    4. Hello, World!

    无论是cargo run还是cargo build，默认构建的都是debug版本的可执行程序，程序中包含大量符号信息和调试信息，并且其优化级别也不是很高。发布到生产环境的程序应该是release模式下的，通过--release参数，我们可以构建release版本的可执行程序：

    1. $cargo build --release
    2.    Compiling hello_world v0.1.0 (/Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/rust-guide-for-gopher/helloworld/cargo/hello_world)
    3.     Finished release [optimized] target(s) in 1.06s

    构建后，target目录下会多出一个release目录，其下面的内容如下：

    1. $tree -F target/release 
    2. target/release
    3. ├── build/
    4. ├── deps/
    5. │   ├── hello_world-c41defdc625f9244*
    6. │   └── hello_world-c41defdc625f9244.d
    7. ├── examples/
    8. ├── hello_world*
    9. ├── hello_world.d
    10. └── incremental/
    11.  
    12. 4 directories, 4 files

    相对于debug版本，release版本由于实时了大量优化，通常其构建时间会比debug版本要长。但构建出的release版本的size则要小很多。

    无论是debug，还是release版，target下面都生成了许多中间文件，如果要清理文件并重头构建，我们可以使用cargo clean命令将target彻底清除：

    1. $cargo clean
    2.      Removed 40 files, 2.1MiB total

    当然cargo clean也支持一些命令行参数，可以选择清除哪些文件。

    3.2.3 使用Cargo创建library类包

    通过上面的例子，我们知道cargo new默认创建的binary类型的rust package，如果我们要创建library类型的rust package，我们需要向cargo new传递--lib选项。下面的命令创建一个名为foo的library类型的rust package：

    1. $cargo new --lib foo
    2.      Created library `foo` package

    我们看一下foo package下的目录结构：

    1. $tree -F foo
    2. foo
    3. ├── Cargo.toml
    4. └── src/
    5.     └── lib.rs
    6.  
    7. 1 directory, 2 files

    和binary类不同的是，src目录下不再是main.rs，而是lib.rs，它是library类package的入口：

    1. //rust-guide-for-gopher/helloworld/cargo/foo/lib.rs
    2.  
    3. pub fn add(left: usize, right: usize) -> usize {
    4.     left + right
    5. }
    6.  
    7. #[cfg(test)]
    8. mod tests {
    9.     use super::*;
    10.  
    11.     #[test]
    12.     fn it_works() {
    13.         let result = add(2, 2);
    14.         assert_eq!(result, 4);
    15.     }
    16. }

    lib.rs中只是一个library类package的入口模板，开发人员需要根据自己的需要对其进行调整。关于lib.rs中的内容，我们将在下一章讲解Rust代码组织时做细致说明，这里就不展开说了。

    对于library类Rust package，我们同样可以通过cargo build和cargo build --release构建，下面是执行构建后目录文件情况：

    1. $tree
    2. .
    3. ├── Cargo.lock
    4. ├── Cargo.toml
    5. ├── src
    6. │   └── lib.rs
    7. └── target
    8.     ├── CACHEDIR.TAG
    9.     ├── debug
    10.     │   ├── build
    11.     │   ├── deps
    12.     │   │   ├── foo-24c6d6228c521501.2k5t0f94hnorqpgh.rcgu.o
    13.     │   │   ├── foo-24c6d6228c521501.d
    14.     │   │   ├── libfoo-24c6d6228c521501.rlib
    15.     │   │   └── libfoo-24c6d6228c521501.rmeta
    16.     │   ├── examples
    17.     │   ├── incremental
    18.     │   │   └── foo-m2biu8poxl6i
    19.     │   │       ├── s-gvg68shtlp-1oqrf4n-irxhgoe7rhwmtvj6jwexcu0h
    20.     │   │       │   ├── 2k5t0f94hnorqpgh.o
    21.     │   │       │   ├── dep-graph.bin
    22.     │   │       │   ├── query-cache.bin
    23.     │   │       │   └── work-products.bin
    24.     │   │       └── s-gvg68shtlp-1oqrf4n.lock
    25.     │   ├── libfoo.d
    26.     │   └── libfoo.rlib
    27.     └── release
    28.         ├── build
    29.         ├── deps
    30.         │   ├── foo-9f2dd76beda509bd.d
    31.         │   ├── libfoo-9f2dd76beda509bd.rlib
    32.         │   └── libfoo-9f2dd76beda509bd.rmeta
    33.         ├── examples
    34.         ├── incremental
    35.         ├── libfoo.d
    36.         └── libfoo.rlib
    37.  
    38. 14 directories, 20 files

    我们看到，无论是debug还是release，cargo build构建的结果都是libfoo.rlib。.rlib文件是Rust的静态库文件，通常用于代码的模块化和重用，我们在后续章节讲解中，会详细说明如何使用这些构建出来的静态库。

    3.3 小结

    本文介绍了如何使用Rust编写"Hello, World"程序，并分别给出了rustc版和cargo版的hello, world程序版本。

    在这个过程中，文章还介绍了Rust中的宏概念，并展示了如何使用println!宏来输出文本。

    之后，文章聚焦于使用Cargo构建的hello，world程序版本，介绍了cargo的构建、清理、debug和release版本的区别等，最后还提及了如何使用cargo创建library类的Rust package。

    cargo贯穿Rust程序的整个生命周期，在后续的每一章中可能都会提及cargo。

    本章中涉及的源码可以在这里[3]下载。

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    参考资料

    [1] 

    上一章: https://tonybai.com/2024/05/10/gopher-rust-first-lesson-setup-dev-env/

    [2] 

    Cache Directory Tagging Specification: https://bford.info/cachedir/

    [3] 

    这里: https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/rust-guide-for-gopher/helloworld

    [4] 

    Gopher部落知识星球: https://public.zsxq.com/groups/51284458844544

    [5] 

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