Rust最佳入門與實戰

第一篇 Rust基礎
第1 章 Rust 入門
1-1 Rust 簡介
1-2 Rust 安裝
1-3 撰寫第一支程式
1-4 使用套件管理工具
1-5 使用VS Code
1-6 程式碼說明
1-7 學習資源
1-8 本章小結
參考資料 (References)
第2 章 Rust 火力展示
2-1 Rust vs. Python 效能比較
2-2 Rust 與Python 整合
2-3 Rust 與JavaScript 整合
2-4 引用OpenCV 套件
2-5 資料分析(Data analysis)
2-6 建構機器學習模型
2-7 進行深度學習辨識
2-8 資料庫存取
2-9 本章小結
參考資料 (References)
第3 章 Rust 資料型別
3-1 變數宣告
3-2 變數值指派
3-3 整數資料型別與運算
3-4 浮點數資料型別與運算
3-4-1 Normal vs. Subnormal
3-4-2 無窮大(Infinite) 與遺失值(Missing value)
3-5 布林值資料型別與運算
3-6 文字資料型別與運算
3-6-1 字元(char)
3-6-2 字串(String)
3-6-3 字串切片(slicing)
3-6-4 字串連接(Concatenation)
3-6-5 其他字串操作
3-7 參考(Reference) vs. 指標(Pointer)
3-7-1 參考與指標測試
3-7-2 智慧指標(Smart pointer)
3-7-3 Box 智慧指標
3-7-4 自行解除參考
3-7-5 Rc 智慧指標
3-7-6 RefCell 智慧指標
3-7-7 小結
3-8 複合資料型別
3-8-1 Tuple
3-8-2 陣列(Array)
3-8-3 枚舉型別(Enum)
3-8-4 結構(Struct)
3-9 特殊資料型別
3-10 各種資料型別轉換
3-11 資料型別別名(Alias)
3-12 本章小結
參考資料 (References)
第4 章 Rust 流程控制
4-1 If/Else
4-2 迴圈
4-2-1 loop 迴圈
4-2-2 while 迴圈
4-2-3 for 迴圈
4-3 例外處理(Exception handling)
4-3-1 恐慌(Panic)
4-3-2 可復原的錯誤(Result)
4-3-3 Result 其他處理方式
4-3-4 unwrap、expect 與【?】使用時機
4-3-5 自訂錯誤訊息
4-3-6 自訂Result Error
4-3-7 anyhow 套件
4-3-8 try/catch 套件
4-3-9 錯誤種類分析
4-4 本章小結
參考資料 (References)
第5 章 命令行(CLI) 應用程式實作
5-1 命令行參數解析
5-2 搜尋檔案內容
5-3 工作日誌(Logging)
5-4 單元測試(Unit testing)
5-5 組態管理(configuration management)
5-6 Head、Tail 程式開發
5-7 本章小結
參考資料 (References)

第二篇 Rust 進階
第6 章 所有權(Ownership)
6-1 所有權管理
6-2 參考與借用(References and Borrowing)
6-3 生命週期(Lifetime)
6-4 多執行緒的所有權管理
6-5 本章小結
參考資料 (References)
第7 章 泛型(Generics)
7-1 泛型入門
7-2 Vec
7-3 HashMap
7-4 Result 泛型
7-5 Option 泛型
7-6 泛型函數
7-7 泛型結構
7-8 泛型枚舉
7-9 泛型方法
7-10 本章小結
參考資料 (References)
第8 章 特徵(Trait)
8-1 Trait 入門
8-2 Trait bound
8-3 繼承(Inheritance)
8-4 Trait Object
8-5 本章小結
參考資料 (References)
第9 章 巨集(Macro)
9-1 巨集(Macro) 入門
9-2 巨集開發
9-3 以巨集生成函數
9-4 客製化衍生巨集(Custom derive macro)
9-5 屬性巨集與函數巨集
9-6 領域特定語言(Domain-specific languages, DSL)
9-7 本章小結
參考資料 (References)
第10 章 閉包(Closure)
10-1 Closure 概念
10-2 Closure 入門
10-3 Closure 應用
10-4 高階函數(Higher Order Functions, HOF)
10-5 本章小結
參考資料 (References)
第11 章 並行處理(Concurrency)
11-1 多執行緒(Multi-thread)
11-2 執行緒訊息傳遞
11-3 執行緒狀態共享
11-4 多執行緒實戰
11-5 非同步(Asynchronous)
11-6 非同步應用-- 股價資料爬蟲
11-7 Tokio 套件
11-8 本章小結
參考資料 (References)

第三篇 Rust 實戰
第12 章 WebAssembly
12-1 WebAssembly 入門
12-2 WebAssembly 實戰
12-3 本章小結
參考資料 (References)
第13 章 檔案系統
13-1 檔案存取
13-2 檔案系統操作
13-3 檔案總管(File explorer)
13-4 本章小結
參考資料 (References)
第14 章 資料庫存取
14-1 關聯式資料庫存取
14-2 以原生驅動程式存取資料庫
14-3 以ODBC 存取資料庫
14-4 以ORM 存取資料庫
14-5 Diesel ORM
14-5-1 安裝PostgreSQL
14-5-2 Diesel 安裝
14-5-3 Diesel 專案測試
14-6 SeaORM
14-7 NoSQL 資料庫
14-8 本章小結
參考資料 (References)
第15 章 使用者介面(User Interface)
15-1 Windows API
15-2 Native Windows GUI
15-3 跨平台GUI
15-4 iced 框架
15-5 CXX-Qt 框架
15-6 Web based 桌面程式
15-6-1 Tauri 程式安裝
15-6-2 Tauri 程式開發
15-6-3 Tauri 程式除錯與佈署
15-7 網站開發
15-7-1 Hyper 套件
15-7-2 Actix Web 套件
15-7-3 完整網站開發範例
15-8 本章小結
參考資料 (References)
第16 章 與其他程式語言溝通
16-1 與C/C++ 程式語言溝通
16-1-1 Rust 呼叫C/C++
16-1-2 C/C++ 呼叫Rust
16-2 與C# 程式語言溝通
16-3 與Python 程式語言溝通
16-4 本章小結
參考資料 (References)
第17 章 深度學習(Deep learning)
17-1 深度學習基本概念
17-2 機器學習相關套件
17-3 資料科學基礎套件
17-4 深度學習套件
17-4-1 tch-rs 套件
17-4-2 Candle 套件
17-5 本章小結
參考資料 (References)
第18 章 區塊鏈(Blockchain)
18-1 區塊鏈基本概念
18-2 區塊鏈實作
18-3 本章小結
參考資料 (References)

 

前言

　　Rust 特點

　　Rust 程式語言受到國際IT 大企業的強力推薦，包括【Google 投百萬美元給Rust基金會，要強化C++ 與Rust 互通性】、【微軟再組新團隊，欲將 C# 代碼改寫為 Rust !】、【Amazon AWS 大量投資Rust 社群，開源Tokio】，Linux 發明人Linus Torvalds 說【Rust will go into Linux 6.1】，為什麼呢? 因為Rust 是一個年輕（2010 年誕生）、有活力（有146,000 個註冊套件）的程式語言，既可以解決傳統C 語言最令人詬病的缺陷，程式動不動就crash，甚至整台電腦當掉，嚴重影響系統維運的穩定性，同時Rust 又擁有現代化程式語言的優點，例如類似Python 的套件管理、物件導向程式設計（OOP）、Function Programming⋯等等，顯然比C++ 更吸引人，同時強調記憶體安全（Memory safety）與高效能（High Performance），也比Python 效能更好，更可以編譯成二進位的執行檔，不必把原始碼交給客戶，因此筆者稱Rust 是現代版的C。

　　到2024/1/11 為止，Rust 的生態系統已非常完整，套件註冊官網（crate.io）已登錄133,524 個套件，涵蓋各類功能與應用，而且還在快速成長中，生態系統是Python 躍居語言使用率第一名的主要原因，雖然Rust 有些套件的完整性還不如Python，但是規模與涵蓋廣度值得期待。

　　除了學習Rust 程式語言及許多套件外， 也可以學到【設計典範】（Design patterns），例如，Command Line Applications in Rust 線上書籍就透過一個簡單的應用程式，說明撰寫應用程式應該注意的事項，也提到相對應可立即應用的套件，本書第五章會有詳細解說。另外，還有許多官方線上書籍都有類似的典範說明，例如：Rust By Example、WebAssembly book、Embedded Rust book⋯。

　　與Python 的整合

　　撰寫Python 的生產力非常高，往往只要少量的程式碼就可以完成複雜的工作，但是因為Python 屬於動態語言架構，錯誤檢查比較鬆散，因此，執行階段常會發生錯誤，並不適合佈署到正式環境（Production environment），但Python非常適合在開發階段進行研發，例如資料前置處理、資料分析、訓練模型、POC、測試、驗證⋯等，一旦資料與模型備妥，再利用高效能及安全的Rust，開發面對客戶/ 使用者的應用系統，建置成執行檔，佈署到正式環境，兼顧快速與穩健，Rust 與Python 整合並不困難，本書會有許多的案例，與讀者分享。

　　為何撰寫本書

　　Rust 也不是沒有缺點，它是筆者學過的近20 種程式語言中最難入門的，主要原因是語法非常多樣化、要理解的設計理念很多、編程規定非常嚴謹，因此，如何找到捷徑輕鬆入門，是非常重要的關鍵，這也是筆者撰寫本書的主要目的，希望能協助讀者快速融會貫通，並開發出安全與高效能的應用系統。

　　本書主要的特點

　　Rust 語法非常多樣化，官網的文件也非常豐富，要循序漸進，把每一本線上書籍都看完，應該要花很多時間，讀者及公司老闆應該都沒這個耐性，因此，筆者希望以多年的編程經驗，考量Rust 各項功能對於應用系統開發的重要性，分階段介紹Rust 基本語法、應用實戰、進階設計理念，由淺入深，中間穿插練習與開發小程式，使學習歷程充滿樂趣及挑戰，因此，本書所附的範例程式特別多。

　　另外，這本書也強調應用，會介紹非常多套件，包括網頁、WebAssembly、桌面程式、機器學習、深度學習、區塊鏈⋯等應用程式開發，希望讀者即學即用，不光是讚嘆Rust 之美，也能立即上手，為個人塑立專業形象，為公司帶來巨大貢獻，講的好像有點Over 了，不過，這也是許多Rustaceans 的夢想吧。

　　註：Rust developer 暱稱為Rustaceans，Python developer 暱稱為Pythonista。

　　目標對象

　　1. 熟悉C 語言的學生或工程師：可學習到最新的程式語言設計理念，改寫或升級舊系統（Legacy system）。

　　2. 熟悉Python 語言的學生或工程師：可學習到如何開發安全與高效能的應用系統。

　　3. 同時熟悉C 與Python 語言的學生或工程師：可學習到如何整合Python 與Rust，提升系統開發的生產力。

　　4. 機器學習工程師：可學習如何利用Rust 建立高效系統，以提升模型訓練（Training）與推論（Inference）的速度。

　　閱讀重點

　　◆ 第一篇為 Rust 基礎介紹，含第一 ~ 五章。

　　◆ 第一章 Rust 入門，介紹 Rust 語言特點、環境建置、套件管理工具（Cargo）及學習資源。

　　◆ 第 二 章 Rust 火 力 展 示， 預 先 展 示 Rust 與 Python/JavaScript整合，引用OpenCV 套件進行影像處理， 引用Polars 套件進行資料分析（Dataanalysis）、機器學習/ 深度學習及資料庫存取等功能。

　　◆ 第三章介紹 Rust 基礎的資料型別，學習任何程式語言，都是從變數資料型別及控制流程開始，Rust 也不例外，Rust 資料型別定義非常嚴謹，可以精準定義變數所需的記憶體空間，另外，必須掌握變數所有權才可以掌握記憶體管理。

　　◆ 第四章介紹 Rust 流程控制，除了一般的分叉（if/else）、迴圈外，也會介紹例外管理機制，這方面與大部分的程式語言（Try/Catch）大相逕庭，需特別注意。

　　◆ 第五章介紹命令行（CLI）應用程式實作，將之前學習的資料型別與控制流程的知識加以應用，開發一些簡單的命令行（Command Line Interface, CLI）應用程式，藉以熟悉命令行參數解析、多執行緒（Multi-threading）、工作日誌（Logging）、單元測試（Unit testing）及6. 組態管理（configuration management）等程式技巧。

　　◆ 第二篇為 Rust 進階介紹，含第六 ~ 十一章。

　　◆ 第六章介紹所有權（Ownership），這是 Rust 語言較難理解的部分，Rust 為了確實做好記憶體管理，必須確實掌握變數的生命週期，才能在生命週期結束時，適時釋放記憶體。

　　◆ 第七章介紹泛型（Generics），它類似物件導向程式設計（OOP）的【多載】（Overload）、多型（Polymorphism）的概念，一個函數可以適用多種資料型別，不須為每一種型別各寫一個函數，另外，也介紹Rust 內建的泛型資料結構。

　　◆ 第八章介紹特徵（Trait），Rust 不提供類別（Class），轉而提供 Trait 及結構（Struct）的整合，作為實踐【物件導向程式設計】（OOP）的基礎，這是Rust 程式開發的重要基石。

　　◆ 第九章介紹巨集（Macro），巨集以特殊的語法形式擴展程式，類似程式產生器，也可以實作成【裝飾器】（Decorator），加註在結構（struct）、枚舉（enum）及函數前面。

　　◆ 第十章介紹閉包（Closure），Closure 是一種匿名函數，Python 稱為 Lambdafunction，是【函數程式設計】（Function Programming）的關鍵角色。

　　◆ 第十一章介紹並行處理（Concurrency），包括多個執行緒（Thread）及非同步（Asynchronous）處理，可解決I/O bound 的瓶頸，提升執行效能。

　　◆ 第三篇 Rust 實戰，介紹開發應用程式常見的檔案系統、資料庫存取與使用者介面，還介紹網站開發、與其他程式語言溝通、資料科學、機器學習及深度學習⋯等，也包括最新的技術如WebAssembly、區塊鏈（Blockchain）、Foreign Function Interface （FFI）。

　　◆ 第十二章介紹 WebAssembly，簡稱 wasm，是一種新形態的網頁運行方式，它類似Assembly 的低階程式語言，以二進位格式（Binary format）在瀏覽器的JavaScript 虛擬機內運行，執行效能直逼原生程式。

　　◆ 第十三章介紹各種檔案讀寫方式、資料夾檢視與搜尋與各式資料庫的新增 /查詢/ 更新/ 刪除（CRUD）。

　　◆ 第十四章介紹資料庫存取，包括關聯式資料庫（Relational database）及NoSQL 資料庫，也包括ORM（Object Relational Mapping）操作。

　　◆ 第十五章介紹使用者介面（User Interface），包括圖形化使用者介面（Graphic User Interface, GUI）、Web based 的桌面程式及網站開發。

　　◆ 第十六章介紹 Foreign Function Interface （FFI）規格，透過此規格可與其他程式語言溝通，包括C/C++、Python⋯等。

　　◆ 第十七章介紹以 Rust 開發機器學習 / 深度學習的方式。

　　◆ 第十八章介紹區塊鏈（Blockchain），越來越多的系統開發者使用 Rust 撰寫區塊鏈相關程式，我們介紹一個具體而微的區塊鏈程式，包括挖礦及P2P 網路。

　　本書範例程式碼全部收錄在 github.com/mc6666/RUST_Book。

　　致謝

　　因個人能力有限，還是有許多議題成為遺珠之憾，仍待後續的努力，過程中要感謝深智出版社的大力支援，使本書得以順利出版，最重要的是要謝謝家人的默默支持。

　　內容如有疏漏、謬誤或有其他建議，歡迎來信指教(mkclearn@gmail.com)。