Rust 数据类型详解

一、标量类型（Scalar Types）

标量类型代表一个单独的值。Rust 中有四大基本标量类型：整数 （integer）、浮点数 （floating-point number）、布尔 （boolean）和字符（character）。这几种类型在大多数编程语言中都很常见。

1. 整数类型（Integer Types）

整数（integer ）是没有小数部分的数字。在之前的猜数字游戏教程里，我们用到了 u32。这个类型声明表示该值是一个无符号 （unsigned）32 位整数（如果是有符号类型，会以 i 开头，例如 i32）。

下表展示了 Rust 中所有内置的整数类型，每个类型要么是有符号（signed），要么是无符号（unsigned），并且有明确的位数大小。

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

• 有符号（signed）表示数值可能为正也可能为负，所以存储时需要符号位；
• 无符号（unsigned）则只表示非负数（0 或正数），不需要符号位。

对于有符号整数，如果类型是 i8，它可以存储从 -128 到 127 的数值；若是 i16，则范围会相应扩大，以此类推。无符号类型则从 0 起算。例如 u8 能表示 0 到 255。

isize 和 usize 根据系统架构的不同而变化：在 64 位架构上是 64 位，在 32 位架构上是 32 位。这些类型常用于根据系统架构进行索引或内存大小计算等场景。

1.1 整数字面量

在 Rust 中可以使用多种形式来表达整数字面量（literal），如下表所示：

数字字面量形式	示例
十进制	98_222
十六进制	0xff
八进制	0o77
二进制	0b1111_0000
字节（仅限 u8）	b'A'

注意：

• 可以在数字中使用下划线 _ 作为分隔符来提高可读性，例如 1_000 与 1000 等价。
• 如果需要指定类型，可以在数字后面加上类型后缀，比如 57u8。

通常如果不确定该用什么整数类型，Rust 默认使用 i32 。若需要根据系统架构进行索引等场景时，才考虑使用 isize 或 usize。

1.2 整数溢出（Integer Overflow）

假设我们有一个 u8 类型的变量，它能表示的数值范围是 [0, 255]。如果尝试将其赋值为 256，就会发生整数溢出 （integer overflow），导致以下两种行为之一：

1. 调试（debug）模式编译 ：Rust 会执行溢出检查，一旦发现溢出，就会在运行时 panic（程序崩溃并退出）。
2. 发布（release）模式编译 ：Rust 不做溢出检查，而是进行二补码环绕 （two's complement wrapping ）。换言之，超出最大可表示值时会"环绕"回最小值。例如，对于 u8 类型，256 会变成 0，257 会变成 1，等等。不会出现 panic，但是结果往往与期望不符。

在实际开发中，不应依赖整数溢出的环绕行为，这被认为是错误的做法。若需要显式处理溢出，可以使用标准库里为整数提供的以下方法族：

• wrapping_*：如 wrapping_add，始终进行环绕运算；
• checked_*：如 checked_add，若溢出则返回 None；
• overflowing_*：如 overflowing_add，返回一个元组 (结果, bool)，其中 bool 指示是否发生溢出；
• saturating_*：如 saturating_add，在溢出时结果会自动"饱和"到对应类型的最小或最大值。

2. 浮点数类型（Floating-Point Types）

Rust 提供了两种原生的浮点数类型：f32（32 位）和 f64（64 位）。默认使用 f64，因为在现代 CPU 上，f64 与 f32 速度几乎相当，但精度更高。所有浮点类型都是有符号数。

fn main() {
    let x = 2.0;    // f64
    let y: f32 = 3.0;  // f32

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

Rust 的浮点数遵循 IEEE-754 标准。

3. 数值运算（Numeric Operations）

Rust 支持常见的数值运算：加法、减法、乘法、除法和取余。需要注意的是，整数除法会向零方向取整（截断小数部分）。示例：

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;

    // 取余
    let remainder = 43 % 5;

    println!("sum = {}", sum);
    println!("difference = {}", difference);
    println!("product = {}", product);
    println!("quotient = {}", quotient);
    println!("remainder = {}", remainder);
}

如果需要查看 Rust 提供的所有运算符，可以参考 附录 B。

4. 布尔类型（Boolean Type）

布尔类型（bool）只有两个可能的值：true 和 false。它所占的大小是 1 个字节。例如：

fn main() {
    let t = true;
    let f: bool = false;

    println!("t = {}, f = {}", t, f);
}

布尔常常用于条件判断（如 if 表达式），后面会在"控制流"一节详述。

5. 字符类型（Character Type）

Rust 的 char 类型是最基础的字母类型，用单引号包裹，支持 Unicode Scalar Value。这意味着它可以表示除 ASCII 之外更多的字符，比如带重音的拉丁字符、中文、日文、韩文、emoji、零宽空格等。例如：

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

    println!("{}, {}, {}", c, z, heart_eyed_cat);
}

Rust 的 char 类型占 4 个字节，对应 Unicode Scalar Value 范围：U+0000 ~ U+D7FF 和 U+E000 ~ U+10FFFF。需要注意的是，Unicode 的"字符"概念可能与人们直觉中的"字符"不完全一致。详情可参考第 8 章关于字符串的讨论。

二、复合类型（Compound Types）

复合类型可以将多个值组合成一个类型。Rust 提供了两种原生的复合类型：元组 （tuple）和数组（array）。

1. 元组类型（Tuple Type）

元组（tuple ）可以将多个类型各异的值组合到一个复合类型中，长度固定，不可增长或缩短。使用小括号 () 包含并用逗号分隔不同的值。例如：

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

1.1 解构（Destructuring）元组

要获取元组中的单独值，可以使用模式匹配（pattern matching）进行解构：

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

    println!("y = {}", y);
}

执行后，y 的值就是 6.4。这里 tup 被"拆解"成了 x, y, z 三个变量的过程，称为解构。

1.2 使用索引访问元组

也可以直接用点号加索引来访问元组的指定元素：

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;

    println!("{}, {}, {}", five_hundred, six_point_four, one);
}

需要注意，索引从 0 开始。

1.3 单元类型（Unit Type）

如果元组不包含任何元素，则被称为单元元组 （unit）。它写作 ()，表示一种空值或空的返回类型。若一个表达式没有返回任何其他值，默认会返回单元元组。

2. 数组类型（Array Type）

数组（array）也是一种把多个值组合在一起的方式，但它与元组有两个主要区别：

1. 数组中所有元素类型相同；
2. 数组长度固定，一旦声明，长度就无法改变。

例如：

fn main() {
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];
    println!("{:?}", a);
}

数组通常存储在栈 上（stack ）而不是堆上（heap ），这在 第 4 章 会详细解释。若需要一个可伸缩的序列，则使用标准库提供的 向量 （vector ，Vec<T>）。如果你需要一个长度固定的序列，数组就非常合适。比如月份名称：

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

2.1 数组的类型注解

声明数组类型时，需要在方括号里写元素类型、分号、元素个数：

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

这里 i32 是每个元素的类型，5 表示数组长度。

2.2 初始化为相同元素

如果想让数组的所有元素都相同，可以使用如下语法：

let a = [3; 5];
// 等价于 let a = [3, 3, 3, 3, 3];

2.3 访问数组元素

可以使用索引来访问数组元素：

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

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

    println!("first = {}, second = {}", first, second);
}

2.4 越界访问与运行时错误

如果索引超出了数组的长度，Rust 会在运行时检查到错误并 panic：

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

    println!("请输入一个数组索引。");
    let mut index = String::new();

    std::io::stdin()
        .read_line(&mut index)
        .expect("读取失败");

    let index: usize = index
        .trim()
        .parse()
        .expect("输入的索引不是数字");

    let element = a[index];

    println!("你选择的元素是：{}", element);
}

如果你输入了超出 [0..4] 范围的索引，比如 10，就会引发 panic，显示类似：

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 5 but the index is 10', src/main.rs:19:19

程序因此退出并不会执行后续的 println!。这是 Rust 保证内存安全的体现：许多低级语言在越界索引时可能会访问非法内存地址，引发不可预料的后果，而 Rust 直接在运行时检测并退出以保证安全。

小结

在本篇文章中，我们介绍了 Rust 最常用的两种数据类型子集：标量类型 和复合类型。标量类型包括整数、浮点数、布尔和字符，它们各自有不同的表示和范围；复合类型包括元组和数组，可以用于将多个值组合到一个类型中，并且在长度是否可变和类型一致性方面有所区别。

• 标量类型：

  • 整数 ：如 i32, u32, i8, u8 等，不同字长和有符号/无符号选择；
  • 浮点数 ：f32 和 f64，默认使用 f64；
  • 布尔 ：bool，仅有 true 和 false；
  • 字符 ：char，占 4 字节，可表示 Unicode Scalar Value。

• 复合类型：

  • 元组：可含多种类型，长度固定；可用解构或索引方式访问；
  • 数组：同类型元素的集合，长度固定，存储于栈上。

对于新手而言，遇到无法自动推断类型的情形时，需要加上类型注解，尤其是在使用 parse 或其他需要指明具体数值类型的场景下。随着实践的深入，Rust 提供的多种安全检查机制（如整数溢出检查、数组越界检查等）会给予你更多信心和安全感，同时也需要你熟悉这些机制以写出高效且安全的代码。

在后续章节中，我们将会不断深入 Rust 的特性，包括所有权、引用与切片、集合类型（向量、字符串、哈希映射）以及错误处理等，希望你能继续保持对 Rust 的探索与学习。

参考与致谢

• The Rust Programming Language - By Steve Klabnik and Carol Nichols, CC BY 4.0
• 本文部分内容基于其翻译和改写，如需了解更多细节，请阅读官方文档。