Rust的数据类型

【图书介绍】《Rust编程与项目实战》-CSDN博客

《Rust编程与项目实战》(朱文伟，李建英)【摘要 书评 试读】- 京东图书 (jd.com)

Rust到底值不值得学，之一 -CSDN博客

Rust到底值不值得学，之二-CSDN博客

3.5 数据类型的定义和分类

在Rust编程中，所谓数据类型，就是对数据存储的安排，包括存储单元的长度（占多少字节）以及数据的存储形式。不同的数据类型分配不同的长度和存储形式。

在编程时，我们将变量存储在计算机的内存中，但是计算机要知道我们要用这些变量存储什么样的值，因为一个简单的数值，一个字符或一个巨大的数值在内存中所占用的空间是不一样的。

在Rust中，每个值都属于某一个数据类型，用来告诉Rust它被指定为何种数据，以便明确数据处理方式。Rust基本数据类型主要有两类子集：标量（Scalar）类型和复合（Compound）类型。标量类型是单个值类型的统称。Rust中内建了4种标量类型：整数、浮点数、布尔值及字符类型。复合类型包括数组、元组、结构体和枚举等。

这里所讲的基本数据类型都是Rust原生的数据类型，它们都是创建在栈上的数据结构。Rust 标准库还提供了一些更复杂的数据类型，它们有些是创建在堆上的数据结构，这里先不讲。

Rust是静态类型语言，因此在编译时就必须知道所有变量的类型。通常，根据值及其使用方式，Rust 编译器可以推断出我们想要用的类型，当多种类型均有可能时，必须增加类型注解，否则编译会报错。

3.6 标量数据类型

3.6.1 整型

整型也叫整数类型，是专门用来定义整数变量的数据类型。按照整型变量占用的内存空间大小来讲，整型可以划分为 1字节整型、2字节整型、4字节整型、8字节整型、16字节整型。

按最高位是否当作符号位来讲，Rust 中的整型又分为有符号整型（Unsigned）和无符号整型（Signed）。有符号整型的左边最高位为0表示正数，为1则表示负数。有符号整型可以用来定义存储负数的变量，当然也可以定义存储非负数的变量。而无符号整型定义的变量只存储非负整数。

整型数据在内存中的存储方式：用整数的补码形式存放，原因在于，使用补码可以将符号位和数值域统一处理；同时，加法和减法也可以统一处理。一个整数X的补码计算方式可以用以下公式得到：

• 当X≥0时，X的补码=X的二进制形式。
• 当X < 0时，X的补码=（X + 2n）的二进制形式，n是补码的位数。

可以看出，一个非负整数的补码就是该数本身的二进制形式，负整数稍微复杂一些。

比如0，如果用1字节的存储单元存储一个整数，则其补码就是00000000，在内存中存储的形式就是00000000；又比如8，其二进制形式是1000，如果用1字节的存储单元存储一个整数，则在内存中的数据就是00001000。对于−8，假设用1字节的存储单元存储一个整数，根据公式，−8的补码就是（−8+28=−8+256=248）的二进制形式，即11111000，也就是它在内存中存放的形式。

1. 有符号的8位整型i8

有符号的8位整型的类型名是i8，为了方便，经常会省略有符号3个字，直接称8位整型，或超短整型。编译器分配1字节长度的存储单元给i8定义的变量，最高位是符号位，0表示正数，1表示负数。比如定义一个i8类型的变量n：

let n: i8 = -6;

这个变量n在内存中占据1字节的存储单元，其在内存中的补码位（−6+256=250）的二进制形式为11111010。如果不信，当场验证一下，代码如下：

fn main() {

    let n:i8=-6;                   //定义一个i8类型的变量n

    println!("{:b}",n);           //:b的意思是以二进制形式输出变量n的值

}

结果输出：11111010。

下面我们来看i8类型所能定义的数据的最小值和最大值，这个问题很多书都没讲清楚。i8类型整数的补码有8位，表示的范围为0000 0000～1111 1111，我们通过补码计算公式可以得到表3-2。

从表3-2中不难看出，最大值只能表示到127，因为128的补码最高位（符号位）是1，不能用来表示一个正数。而最小值是−128，因为−129的补码最高位（符号位）是0，不能用来表示一个负数。所以，我们得出i8类型所表示的最小值是−128，最大值是127。这里使用列表法得到最小值和最大值，似乎有点笨笨的。笔者再介绍一个更简便的方法得到最小值和最大值。

根据补码计算公式，非负数的二进制形式和补码相同，我们可以这样考虑来得到最大值，i8类型定义的变量所占用的存储空间长度是1字节，且最高位是符号位，则能存储的最大数据是01111111，左边第一位是0表示正数，后面7位表示数值，7位全为1时最大，因此最大数据就是27−1=127。对于最小值，则根据负数的补码计算公式，我们知道，正整数的补码是其本身的二进制数，负整数的补码就是（X + 2n）的二进制数，现在，0～127的二进制数已经用作正整数的补码了，那么一个负整数X的补码只能从128的二进制数开始找，也就是有这样的关系：X+256≥128，即X≥−128，从而得出最小值Xmin=−128。这个方法方便多了。如果不信，当场验证一下，代码 如下：

fn main() {

    assert_eq!(i8::MIN, -128); 

    assert_eq!(i8::MAX, 127);  

    println!("{},{}",i8::MIN,i8::MAX);

}

结果输出就是−128,127。其中，Rust提供了i8::MIN来表示i8变量的最小值（−128），用i8::MAX表示i8变量的最大值（127）。而assert_eq!表示传入的两个参数如果不相等，则抛出异常，也就是会在输出窗口打印一行语句：thread 'main' panicked at 'assertion failed: `(left == right)`。

2. 无符号8位整型u8

无符号8位整型的类型名是u8，又称无符号超短整型，它占据1字节长度的存储单元，最高位不是符号位。这里的u表示unsigned，u8定义的变量取值是非负整数，存储形式依旧是补码，根据补码计算公式，非负整数的补码和变量本身的二进制形式相同，比如变量值是255，那么其在内存中的存储形式就是11111111，它就是补码，也是255的二进制形式。

定义一个u8变量示例如下：

let n: u8 = 100;

u8的最高位不是符号位，是有效的数值位，因此u8定义的变量，其最小值是0，最大值是11111111，即28−1=255，我们可以用下列代码来验证：

fn main() {

    println!("{},{}",u8::MIN,u8::MAX);

}

输出结果：0,255。

3. 有符号16位整型i16

有符号16位整型的类型名是i16，占据2字节长度的存储单元，最高位是符号位。i16有时又称为短整型。定义一个i16变量示例如下：

let n: i16 = -100;

i16的最高位是符号位，若为0则表示正数，若为1则表示负数。i16定义的变量，其最大值是0111111111111111，即215−1=32767，最小值这样计算：X+65536≥32768，即X≥−32768，从而得出最小值Xmin=−32768，对应补码为（−32768+65536）的二进制形式，即32768的二进制数 1 000 000 000 000 000。得到最小值和最大值的原理这里不再赘述，因为已经在讲i8的时候详述过了。我们可以用下列代码来验证：

fn main() {

    println!("{},{}",i16::MIN,i16::MAX);

    println!("{:b},{:b}",i16::MIN,i16::MAX);

}

运行结果如下：

-32768,32767

1000000000000000,111111111111111

4. 无符号16位整型u16

无符号16位整型的类型名是u16，占据2字节长度的存储单元，最高位不是符号位。u16有时又称无符号短整型。定义一个u16变量示例如下：

let n: u16 = 100;

u16定义的变量取值范围是[0, 65535]。

5. 32位、64位、128位整型

一理通百理融。了解了8位、16位整型后，32位、64位、128位整型与之类似。i32是默认的整型，如果直接说出一个数字而不说它的数据类型，那么它默认就是i32。i64通常称为长整型，i128称为超长整型。

我们可以用一张表来归纳这些整型，Rust内建的整数类型如表3-3所示。

整型的长度还可以是arch。arch是由CPU构架决定大小的整型类型。大小为arch的整数在x86机器上为32位，在x64机器上为64位。arch整型通常用于表示容器的大小或者数组的大小，或者数据在内存上存储的位置。

有符号整型所表示的范围如表3-4所示。

无符号整型所表示的范围如表3-5所示。

3.6.2 布尔型

Rust使用关键字bool表示布尔数据类型，布尔型变量共有两个值：true和false。比如定义一个bool变量：

let checked:bool = true;

布尔变量占用1字节，使用bool类型的场景主要是条件判断。下列代码将输出bool变量的值：

fn main() {

    let checked:bool = true;

    println!("{}", checked);//输出true

}

输出结果：true。

3.6.3 字符类型

字符类型是Rust的一种基本数据类型，使用关键字char来表示字符类型。字符类型变量用于存放单个Unicode字符，这意味着ASCII字母、重音字母、中文、日文、韩文、表情符号和零宽度空格都是Rust中的有效字符值。Unicode 标量值的范围为U+0000～U+D7FF和U+E000～U+10FFFF（含）。然而，"字符"在Unicode中并不是一个真正的概念。在存储char类型数据时，会将其转换为UTF-8编码的数据（即Unicode代码点）进行存储。

char定义变量占用4字节空间（32bit），且不依赖于机器架构。我们可以用代码验证一下：

fn main() {

    println!("{}", std::mem::size_of::<char>());

}

结果输出：4。看来的确占用了4字节。std是Rust的标准库，mem是std中的一个模块，size_of是模块mem中的函数，它返回某种数据类型占用的字节数。关于库、模块和函数的概念后面详述，现在只要知道这样调用是可以得到某个类型所占用的字节数的。

char类型变量的值是单引号包围的任意单个字符，例如'a'、'我'。注意：char和单字符的字符串String是不同的类型。比如下列代码定义字符类型变量并输出：

fn main() {

    let a = 'z';

    let b = '\n';                          //赋值转义字符'\n'

    let c = '我';

    print!("{},{},{}",a,b,c);              //输出

}  

输出结果：

z,

,我

b的值是'\n'，因此会出现换行。

另外，可使用关键字as将char转为各种整数类型，目标类型小于4字节时，将从高位截断，这种转换叫作显式转换。注意：Rust不会自动将char类型转换为其他类型，必须使用as进行显式转换。比如：

fn main() {

   // char -> Integer

println!("{}", '我' as i32);              // 25105=0x6211

println!("{}", '是' as u16);              // 26159=0x662f

println!("{}", '是' as u8);                // 47=0x2f，被截断了，因此66就没输出

}

结果输出：

25105

26159

47

我们以十进制形式输出了3个字符的Unicode值，第三行中的'是'转为u8类型，只能把0x2f存于u8中，66就被截断了。如果想在线查询某个字符的Unicode编码值，可以到网站https://www.unicodery.com上查询。

关于整型转为char类型，将用到标注库的char模块，我们到讲标准库的时候再讲。

3.6.4 浮点型

浮点型变量用来表示具有小数点的实数。为何在Rust中把实数称为浮点数呢？这是因为在Rust中，实数是以指数形式存放在存储单元中的。一个实数表示为指数可以有多种形式，比如5.1234可以表示为5.1234×100、51.234×10-1、0.51234×101、0.051234×102、51234×10-5、512340×10-6等。可以看到，小数点的位置可以在5、1、2、3、4这几个数字之间、之前或之后（需添加0）浮动，只要在小数点位置浮动的同时改变指数的值，就可以保证表示的是同一个实数。因为小数点位置可以浮动，因此以指数形式表示的实数称为浮点数。Rust 编程语言按照 IEEE 754 二进制浮点数表示与算术标准存储浮点数。IEEE 754这里就不展开了，如果以后大家从事这方面的底层开发，可以深入研读这个标准。这里只是让大家心里有个数。

与大多数编程语言一样，Rust也拥有两种不同精度的浮点类型，分为单精度浮点类型f32和双精度浮点类型f64。f32的数据使用32位来表示，f64的数据使用64位来表示。Rust中的默认浮点类型是f64，因为现在的CPU几乎为64位的，因此在处理f64和f32类型的数据时所耗的时间基本相同，但f64可表示的精度更高。值得注意的是，所有的浮点类型都是有符号的。下列代码输出3个浮点类型变量：

fn main() {

    let x = 2.01;                 // 默认f64

    let y: f32 = 3.14;            // f32

    let z:f64=6.28;                //f64

    println!("{},{},{}",x,y,z);

}

结果输出：2.01,3.14,6.28。

值得注意的是，Rust中不能将0.0赋值给任意一个整型，也不能将0赋值给任意一个浮点型，但可以将0.0赋值给浮点类型变量。

当数字很大的时候，Rust可以用下画线（_）来分段数字，这样可以使数字的可读性变得更好。比如：

fn main() {

    let a=1_000_000;

    let b:i64 =1_000_00088000;

    let x:f64=1_000_000.666_123;

    println!("{},{},{}",a,b,x);

}

结果输出：1000000,100000088000,1000000.666123。

3.6.5 得到变量的字节数

我们可以用std::mem::size_of::<类型>得到类型所占的字节数，比如：

println!("{}", std::mem::size_of::<char>());

输出结果是4。

除此之外，还可以通过std::mem::size_of_val获取变量所占用的字节数。比如：

fn main() {

    //明确指定类型

    let a:i64=100;



    // 通过变量类型后缀指定变量的类型

    let x = 1u8;

    let y = 2u32;

    let z = 3f32;



    // 没有变量类型后缀，通过怎么使用变量来进行推断

    let i = 1;

    let f = 1.0;



    println!("size of `a` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&a));

    println!("size of `x` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&x));

    println!("size of `y` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&y));

    println!("size of `z` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&z));

    println!("size of `i` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&i));

    println!("size of `f` in bytes: {}", std::mem::size_of_val(&f));

}