Rust 課程：函數與控制流 ── 函數定義與呼叫

簡介

在任何程式語言中，**函數（function）**都是組織程式邏輯、提升可讀性與可維護性的核心工具。Rust 作為一門強調安全與效能的系統程式語言，對函數的設計也保留了高度的表達力，同時加入所有權、借用等概念，使得函數的行為更加可預測。

本單元將帶你從最基本的函數宣告與呼叫，逐步了解參數傳遞、回傳值、可變參數與匿名函式（closure），並透過實務範例說明 「函數」在 Rust 專案中的實際應用。完成本章後，你將能夠自信地撰寫乾淨、效能佳的函式，為後續的控制流與錯誤處理奠定穩固基礎。

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核心概念

1. 基本函數語法

在 Rust 中，函數使用 fn 關鍵字宣告，語法如下：

fn 函式名稱(參數1: 型別, 參數2: 型別) -> 回傳型別 {
    // 函式本體
}

• 函式名稱 必須遵循 snake_case 命名慣例。
• 若沒有回傳值，-> 回傳型別 可以省略，等同於回傳單位型別 ()。
• 函式本體必須以分號 ; 結束的最後一個表達式作為回傳值（不需要 return），但若使用 return，則會立即結束函式。

範例 1：最簡單的「Hello, world!」函式

fn hello() {
    println!("Hello, world!");
}

呼叫方式：

fn main() {
    hello(); // 輸出: Hello, world!
}

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2. 參數傳遞與所有權

Rust 的參數傳遞遵循 所有權（ownership） 與 借用（borrowing） 規則。傳遞 String 這類擁有所有權的型別時，預設會 移動（move） 所有權；若想保留原始值，需使用參考（reference）& 或可變參考 &mut。

範例 2：所有權移動與借用

fn take_ownership(s: String) {
    println!("取得所有權: {}", s);
    // s 在此函式結束後被釋放
}

fn borrow_string(s: &String) {
    println!("借用值: {}", s);
    // s 仍然屬於呼叫端
}

fn main() {
    let msg = String::from("Rust");
    take_ownership(msg);
    // println!("{}", msg); // ❌ 編譯錯誤：msg 已被移動

    let msg2 = String::from("程式設計");
    borrow_string(&msg2);
    println!("仍可使用: {}", msg2); // 正常
}

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3. 回傳值與表達式

函式的最後一個表達式（不加分號）即為回傳值。若回傳多個值，可使用 元組（tuple） 或 結構體（struct）。

範例 3：回傳元組與結構體

// 回傳元組
fn min_max(a: i32, b: i32) -> (i32, i32) {
    if a < b { (a, b) } else { (b, a) }
}

// 使用結構體回傳
struct Point {
    x: f64,
    y: f64,
}

fn origin() -> Point {
    Point { x: 0.0, y: 0.0 }
}

fn main() {
    let (min, max) = min_max(10, 5);
    println!("最小值: {}, 最大值: {}", min, max); // 5, 10

    let p = origin();
    println!("原點座標: ({}, {})", p.x, p.y);
}

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4. 可變參數與 mut

若函式需要修改傳入的參數，必須將參數標記為 可變參考 &mut，或直接接受可變所有權的變數（mut 變數本身）。

範例 4：使用可變參考改變向量內容

fn push_number(vec: &mut Vec<i32>, n: i32) {
    vec.push(n);
}

fn main() {
    let mut numbers = vec![1, 2, 3];
    push_number(&mut numbers, 4);
    println!("{:?}", numbers); // [1, 2, 3, 4]
}

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5. 匿名函式（Closure）

Closure 是可以捕獲環境變數的匿名函式，語法類似 |參數| { 程式碼 }。它在函式作為參數或回傳值時特別有用。

範例 5：將 Closure 作為參數傳遞

fn apply<F>(f: F) -> i32
where
    F: Fn(i32) -> i32,
{
    f(10)
}

fn main() {
    let double = |x| x * 2;
    let result = apply(double);
    println!("結果: {}", result); // 20
}

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常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	解決方式
所有權不小心被移動	把 String、Vec 等傳入函式後，呼叫端無法再使用。	使用 & 或 &mut 參考，或在函式內部 clone()（視需求而定）。
忘記在最後一行加分號	若最後一行加了分號，會變成 ()，導致回傳值不符。	確認回傳表達式 不加分號，或使用明確的 return。
Closure 捕獲方式不明	默認捕獲方式可能是 move，導致變數所有權被移走。	明確指定 move 或使用 &、&mut 捕獲，根據需求選擇。
過度使用全域變數	會破壞函式的純粹性與可測試性。	儘量把需要的資料以參數傳入，或使用結構體封裝。
未使用 Result 處理錯誤	直接 panic! 會使程式在生產環境崩潰。	讓函式回傳 Result<T, E>，在呼叫端妥善處理。

最佳實踐

• 保持函式短小：單一職責原則（SRP），每個函式只做一件事。
• 使用型別別名：對於複雜的回傳型別（如 Result<(i32, i32), MyError>），可用 type 讓簽名更易讀。
• 文件化：使用 /// 註解產生 Rustdoc，說明參數意圖與回傳值。
• 單元測試：在 #[cfg(test)] 模組中為每個公開函式寫測試，確保行為正確。

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實際應用場景

1. 資料處理管線
   在 ETL（Extract‑Transform‑Load）流程中，常會把每一步抽成獨立函式：read_csv() -> Vec<Record>、filter_records(&mut records)、write_json(&records)。這樣的分層讓程式碼易於平行化與錯誤追蹤。

2. 遊戲開發的系統
   例如「計算角色傷害」的函式 fn calculate_damage(attacker: &Character, defender: &Character) -> i32，利用所有權與借用確保不會意外改變角色狀態，同時可以在測試中直接驗證數值。

3. 嵌入式系統的 ISR（Interrupt Service Routine）
   ISR 必須是 fn，且不能捕獲環境（必須是 extern "C"），因此在 Rust 中會寫成 fn timer_isr()，裡面只呼叫已經安全封裝好的函式，避免在中斷上下文中產生未定義行為。

4. Web 服務的路由處理
   使用框架如 actix-web 時，路由處理器本質上是函式或 Closure，例如：

   async fn hello_world() -> impl Responder {
       HttpResponse::Ok().body("Hello, Rust!")
   }
   

   這裡的 async fn 仍然遵循相同的所有權與回傳規則，只是回傳的是 Future。

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總結

• 函式是 Rust 程式的基本組件，掌握 fn 的宣告、參數傳遞、回傳機制是撰寫安全、效能程式的第一步。
• 了解 所有權與借用 在函式中的行為，可避免常見的編譯錯誤與執行時資源問題。
• 使用 元組、結構體、Closure 等靈活的回傳方式，讓函式能夠表達更複雜的邏輯。
• 最佳實踐（短小、單一職責、文件化、測試）與 常見陷阱（所有權移動、分號誤用、Closure 捕獲）相輔相成，幫助你寫出易讀、可維護的程式碼。

透過本章的範例與概念，你已具備在 Rust 中 定義與呼叫函式 的能力。接下來，建議將這些函式組合成更大的模組，並在「控制流」單元中學習條件判斷、迴圈與模式匹配，進一步提升程式的表達力與彈性。祝你在 Rust 的旅程中寫出更安全、更快的程式！