Rust 基本語法與變數 – 常數（`const`）

簡介

在任何程式語言中，**常數（constant）**都是用來保存「不會改變」的資料。Rust 對常數提供了兩種主要形式：const 與 static，其中 const 是最常見且最簡單的方式。掌握 const 的使用方式，能讓程式碼在編譯期就完成檢查，提升執行效能與安全性，對於 初學者 以及 中級開發者 來說都是必備的基礎功。

本篇文章將從概念說明、實作範例、常見陷阱與最佳實踐，最後延伸到實務應用，帶你一步步了解如何在 Rust 中正確、有效地使用 const。

核心概念

1. `const` 的基本語法

const 必須在 編譯期 完全確定其值。
必須 顯式指定型別，不能依賴型別推斷。
宣告時即為全域（或在區塊作用域內），無法在執行時修改。

// 全域常數，必須加上型別註記
const MAX_CONNECTIONS: u32 = 100;

// 函式內部的區域常數
fn foo() {
    const PI: f64 = 3.1415926535;
    println!("π ≈ {}", PI);
}

Tip：const 的命名慣例通常使用全大寫、底線分隔，以提升可讀性。

2. 常數與變數的差異

項目	`const`	`let` (變數)
可變性	不可變，編譯期即固定	預設不可變，若加 `mut` 則可變
計算時機	編譯期計算	執行期計算
型別推斷	必須明確指定	可由編譯器推斷
記憶體位置	直接內嵌於程式碼（常量池）	位於堆疊或堆上，依值而定

3. 常數的類型限制

const 可以是任何 Copy（可複製）類型，包括原始數值、字元、布林、甚至是陣列、元組。但不允許包含 Drop（需要釋放資源）的類型，例如 String、Vec<T>。

// 合法的常數
const FLAG: bool = true;
const COLORS: [u8; 3] = [255, 0, 0]; // RGB 紅色

// 錯誤範例：String 不是 Copy 類型
// const GREETING: String = String::from("Hello"); // 編譯錯誤

4. 常數的運算（常量運算）

Rust 允許在 const 中使用 常量運算（const-evaluated expressions），包括算術、位元運算、函式呼叫（只要該函式是 const fn）。

// 定義一個 const fn
const fn square(x: i32) -> i32 {
    x * x
}

// 使用 const fn 產生常數
const FOUR_SQUARED: i32 = square(4);

5. `const` 與 `static` 的差別簡述

特性	`const`	`static`
可變性	永遠不可變	可加 `mut` 成為可變的全域變數
記憶體位置	內嵌於程式碼	位於全域資料段
初始化時機	編譯期	執行期（程式載入時）
使用場景	常量值、編譯期計算	需要全域唯一實例（如全域緩衝區）

注意：在大多數情況下，若只需要「不會改變的值」，const 已足夠且較安全。

程式碼範例

範例 1：基本常數與列印

// src/main.rs
const APP_NAME: &str = "Rust 常數教學";
const VERSION: u32 = 1;

fn main() {
    println!("程式名稱: {}", APP_NAME);
    println!("版本號: v{}.0", VERSION);
}

說明：&str 是字串切片，屬於 Copy，可直接作為 const 使用。

範例 2：使用 `const fn` 進行編譯期計算

const fn factorial(n: u64) -> u64 {
    let mut result = 1;
    let mut i = 1;
    while i <= n {
        result *= i;
        i += 1;
    }
    result
}

const FACT_5: u64 = factorial(5); // 5! = 120

fn main() {
    println!("5 的階乘是 {}", FACT_5);
}

說明：factorial 在編譯期完成計算，FACT_5 的值在執行檔中已被寫死，沒有額外運算成本。

範例 3：陣列常數與索引

const DAYS: [&str; 7] = [
    "星期一", "星期二", "星期三",
    "星期四", "星期五", "星期六", "星期日"
];

fn today(idx: usize) -> &'static str {
    DAYS[idx % 7]
}

fn main() {
    let day = today(3);
    println!("今天是 {}", day); // 輸出: 星期四
}

說明：陣列本身是 Copy，因此可以作為 const。&'static str 保證字串在整個程式生命週期內有效。

範例 4：位元旗標（bitflags）

// 定義權限旗標
const READ: u8  = 0b0000_0001;
const WRITE: u8 = 0b0000_0010;
const EXEC: u8  = 0b0000_0100;

const ALL_PERMS: u8 = READ | WRITE | EXEC;

fn has_permission(perms: u8, flag: u8) -> bool {
    perms & flag == flag
}

fn main() {
    let user_perms = READ | EXEC; // 只讀與執行權限
    println!("是否有寫入權限? {}", has_permission(user_perms, WRITE));
    println!("全部權限? {}", has_permission(ALL_PERMS, ALL_PERMS));
}

說明：位元運算在 const 中非常常見，用來定義編譯期的旗標集合。

範例 5：使用 `const` 於泛型型別參數

struct Buffer<const SIZE: usize> {
    data: [u8; SIZE],
}

impl<const SIZE: usize> Buffer<SIZE> {
    fn new() -> Self {
        Buffer { data: [0; SIZE] }
    }
}

fn main() {
    let buf = Buffer::<16>::new(); // 產生 16 位元組的緩衝區
    println!("緩衝區大小: {}", buf.data.len());
}

說明：Rust 允許在結構體或函式的泛型參數中使用 const，讓編譯期即決定陣列長度等資訊，提高效能與安全性。

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	可能的問題	解決方式
忘記指定型別	`const` 必須明確型別，缺少會導致編譯錯誤	Always 加上 `: type`
使用非 `Copy` 類型	`String`、`Vec<T>` 會產生 `cannot be used in a constant` 錯誤	改用 `&'static str` 或陣列，或改用 `static`
在 `const` 中呼叫非 `const fn`	會被編譯器拒絕	把函式標記為 `const fn`，或改寫為編譯期可計算的表達式
過度依賴 `const` 來儲存大型資料	大型陣列會直接嵌入二進位檔，增加檔案大小	考慮使用 `static` + `lazy_static`/`once_cell` 以延遲載入
誤以為 `const` 可以在執行期改變	會造成邏輯錯誤	記住 `const` 完全不可變，若需要可變全域，使用 `static mut`（需 `unsafe`）或更安全的同步原語

最佳實踐

盡量使用 const：只要值在編譯期即可，保持程式碼純粹且效能最佳。
命名遵循全大寫：如 MAX_BUFFER_SIZE，讓讀者一眼辨識為常數。
將計算搬到 const fn：減少執行期開銷，特別是對於常用的數學或轉換函式。
避免在 const 中放置大量資料：若資料量超過數 KB，考慮改用 static 或外部檔案。
使用 #[allow(dead_code)]：在測試或範例中若常數未被使用，可避免警告。

實際應用場景

配置參數：如 API 端點、版本號、協議常數等，這些在編譯期就已確定。
位元旗標：檔案權限、網路協定標誌、硬體寄存器位元設定，都適合用 const 定義。
編譯期計算：如 CRC 表、哈希表、字元映射表，可透過 const fn 產生，避免執行期初始化。
泛型常數：在嵌入式開發中，常用 const 參數決定緩衝區大小、陣列長度，確保零開銷抽象。
測試基礎值：單元測試中常用 const 定義測試資料的基礎值，保證測試的可預測性。

總結

const 是 編譯期 的不可變值，必須明確指定型別，適合用於配置、旗標、編譯期計算等情境。
透過 const fn，我們可以把複雜的計算搬到編譯期，讓執行檔更小、效能更佳。
常見的錯誤包括忘記型別、使用非 Copy 類型或呼叫非 const fn，只要遵守 型別顯示、使用 Copy、標記 const fn 三大原則，就能避免大部分問題。
在實務開發中，將所有「不會變」的值改寫為 const，不僅提升程式的可讀性，也能讓編譯器在最佳化時發揮更大威力。

掌握了 const 的使用，你就能寫出更安全、高效且易於維護的 Rust 程式碼。祝你在 Rust 的旅程中玩得開心，寫出更好的程式！

Rust 基本語法與變數 – 常數（const）

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