Rust 簡介與特色

簡介

在現代軟體開發中，效能、安全性與可維護性往往是相互牽制的難題。傳統上，我們要取得接近 C/C++ 的執行速度，往往必須犧牲記憶體安全；而要保證安全，則需要使用較高階、較慢的語言。Rust 正是為了打破這個兩難而誕生的，它在 零成本抽象、所有權系統 與 資料競爭檢測 上提供了全新的解決方案。

本單元「Rust 入門與環境設置」的第一個主題「Rust 簡介與特色」旨在讓讀者快速了解 Rust 為何受到系統程式、嵌入式、WebAssembly 以及大型服務端開發者的青睞，並為接下來的實作奠定概念基礎。掌握這些特色後，你將能在選擇技術棧時更有依據，也能在寫程式時自然運用 Rust 的設計哲學。

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核心概念

1. 零成本抽象 (Zero‑Cost Abstractions)

Rust 的抽象（如 Iterator、match、trait）在編譯期會被最佳化成等同於手寫的低階程式碼。這意味著使用高階語法不會帶來額外的執行時開銷。編譯器（rustc）會在 LLVM 後端做大量的優化，使得產出的二進位檔與 C/C++ 相比毫不遜色。

2. 所有權 (Ownership) 與借用檢查 (Borrow Checker)

所有權是 Rust 最核心的安全機制，透過三大規則保證記憶體安全：

1. 每個值 只能有一個所有者。
2. 當所有者離開作用域時，值會被自動釋放（RAII）。
3. 同時只能有 一個可變借用 或 多個不可變借用。

⚠️ 小提醒：所有權的概念在第一次接觸時會感到陌生，但它是防止 use‑after‑free、double free、data race 的根本保證。

3. 型別系統與模式匹配 (Pattern Matching)

Rust 的型別系統是 靜態、強型別，編譯期即可捕捉大多數錯誤。配合 enum 與 match，開發者可以用代數資料型別（Algebraic Data Types）表達複雜的業務邏輯，編譯器會強迫處理所有可能的情況，減少遺漏分支的風險。

4. Cargo 生態系統

Cargo 是 Rust 的建置工具與套件管理器，提供 依賴管理、測試、文件產生、跨平台編譯 等功能。只要一條指令 cargo new 或 cargo init，即可建立完整的專案結構，讓新手快速上手。

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程式碼範例

以下示範 5 個常見且實用的 Rust 範例，說明上述概念如何在實務中運作。每段程式碼均以 rust 語法標記，並加上中文註解說明。

1️⃣ 基本的所有權與借用

fn main() {
    // a 為字串的所有者，使用 to_string 產生 heap 分配的 String
    let a = String::from("Hello, Rust!");

    // b 透過 & 取得 a 的不可變借用，a 仍然有效
    let b = &a;
    println!("b: {}", b); // 可同時有多個不可變借用

    // c 嘗試取得可變借用會編譯失敗，因為已存在不可變借用 b
    // let c = &mut a; // <-- 編譯錯誤!

    // 當 b 超出作用域，才能取得可變借用
    drop(b); // 明確釋放 b
    let c = &mut a; // 現在可以安全地取得可變借用
    c.push_str(" Welcome!");
    println!("a: {}", a);
}

重點：drop(b) 讓 b 的生命週期提前結束，示範了借用檢查的靜態保證。

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2️⃣ 使用 Iterator 的零成本抽象

fn main() {
    // 建立一個 1..=5 的範圍，並映射成每個數字的平方
    let squares: Vec<i32> = (1..=5)
        .map(|x| x * x)          // map 是零成本抽象，編譯後會被展開成迴圈
        .collect();              // 收集成 Vec

    println!("Squares: {:?}", squares);
}

說明：map、collect 在編譯期會被優化成等同於手寫的 for 迴圈，不會產生額外的函式呼叫開銷。

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3️⃣ enum 與 match 的代數資料型別

enum HttpResult {
    Ok(String),          // 成功時回傳內容
    NotFound,            // 404
    ServerError(i32),    // 500 並附帶錯誤碼
}

fn handle_response(res: HttpResult) {
    match res {
        HttpResult::Ok(body) => println!("Response body: {}", body),
        HttpResult::NotFound => println!("404 Not Found"),
        HttpResult::ServerError(code) => println!("500 Server Error, code: {}", code),
    }
}

fn main() {
    let r1 = HttpResult::Ok("Hello".into());
    let r2 = HttpResult::NotFound;
    let r3 = HttpResult::ServerError(42);

    handle_response(r1);
    handle_response(r2);
    handle_response(r3);
}

技巧：match 必須涵蓋所有變體，編譯器會提醒缺漏的分支，避免忘記處理例外情況。

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4️⃣ 使用 Result 與錯誤傳播 (? 操作符)

use std::fs::File;
use std::io::{self, Read};

fn read_file(path: &str) -> io::Result<String> {
    // ? 會在錯誤時自動返回，讓程式碼保持平坦
    let mut file = File::open(path)?;
    let mut contents = String::new();
    file.read_to_string(&mut contents)?;
    Ok(contents)
}

fn main() {
    match read_file("Cargo.toml") {
        Ok(text) => println!("File content:\n{}", text),
        Err(e) => eprintln!("Failed to read file: {}", e),
    }
}

說明：Result<T, E> 為 Rust 標準的錯誤型別，搭配 ? 可簡化錯誤傳遞，同時保留完整的錯誤資訊。

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5️⃣ Cargo 建立與測試範例

# Cargo.toml
[package]
name = "math_utils"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]

// src/lib.rs
/// 計算兩數相加
pub fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_add() {
        assert_eq!(add(2, 3), 5);
        assert_eq!(add(-1, 1), 0);
    }
}

執行測試：

cargo test

重點：只要 #[cfg(test)] 標記的模組，cargo test 會自動編譯並執行，讓 測試驅動開發 (TDD) 成為日常。

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常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	最佳實踐
所有權移動	let b = a; 會把 a 的所有權搬走，之後再使用 a 會編譯錯誤。	若需要保留 a，使用 clone()（深拷貝）或 借用 &a。
借用規則衝突	同時存在可變與不可變借用會被拒絕。	把不可變借用的作用域縮小，或使用 內部可變性 (RefCell, Mutex)（僅限單執行緒/多執行緒情境）。
未處理的 Result	忽略錯誤會得到警告，且在 panic! 時程式會直接中止。	使用 ? 進行錯誤傳遞，或明確 match 處理每種錯誤。
過度使用 unwrap()	直接呼叫 unwrap() 會在錯誤時 panic。	在測試或原型階段可以暫時使用，正式程式碼改用 expect() 加上說明訊息或錯誤處理。
不熟悉 Cargo 工作流程	手動編譯、管理依賴會增加錯誤機率。	完全依賴 cargo：cargo build、cargo run、cargo test、cargo doc。

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實際應用場景

1. 系統程式與嵌入式

   • 需要 零成本抽象、精確的記憶體控制，Rust 可直接取代 C/C++，且避免緩衝區溢位等安全漏洞。
   • 例如：Microcontroller（使用 no_std）的韌體開發。

2. WebAssembly (Wasm) 前端

   • Rust 編譯成 Wasm 後，能在瀏覽器中提供 接近原生的效能，常用於圖形、音訊處理或大型演算法。

3. 高效能伺服器

   • 例如 Actix‑Web、Warp 框架，利用 async/await 與 Tokio 執行緒池，建構 低延遲、可水平擴展 的 HTTP 服務。

4. 資料處理與 CLI 工具

   • Rust 的 快速編譯、單執行檔特性，使其成為開發 命令列工具（如 ripgrep、fd）的首選語言。

5. 區塊鏈與密碼學

   • 需要 嚴格的記憶體安全 與 高效能，Rust 已被多個區塊鏈專案（如 Parity、Solana）採用。

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總結

Rust 以 安全、效能、現代化語法 為核心，透過所有權系統、零成本抽象與強大的 Cargo 生態，為開發者提供了 在不犧牲執行速度的前提下，寫出 可靠且易於維護 程式碼的可能。
本篇文章概述了 Rust 的主要特色、核心概念與實務範例，並提醒常見的陷阱與最佳實踐。未來在「Rust 入門與環境設置」的課程中，我們將進一步說明如何安裝 Rust、設定開發環境、使用 Cargo 建立專案，並逐步深入到所有權、錯誤處理與併發模型的實作細節。

掌握 Rust 的思維模型，不僅能寫出更安全的系統程式，也能在 Web、嵌入式、資料處理等領域開發出 高效能且可靠 的應用。祝你在 Rust 的旅程中玩得開心、寫得安心！