Rust 與 Python 的基本語法比較

作為一個習慣使用 Python 的開發者，當你開始接觸 Rust 時，可能會遇到一些困難。Rust 與 Python 的語法差異較大，尤其是 Rust 強調的「類型安全」和「不可變性」概念，可能會讓你感到陌生。因此，這篇文章將用簡單的方式幫助你了解幾個 Rust 的核心概念和語法，讓你更順利地上手。

Rust 基本概念速覽

1. 變數的不可變性

Rust 預設變數是不可變的，這和 Python 的靈活變數處理方式不同。要讓變數可以修改，需加上 mut 關鍵字，讓變數變為可變的。

let x = 5;  // 不可變變數
let mut y = 10;  // 可變變數
y = 15;  // 修改可變變數 y 的值
println!("x = {}, y = {}", x, y);

這樣的設計能避免意外修改變數，提升程式的安全性。對 Python 開發者來說，這可能是個新概念。

Rust 資料格式與變數定義總覽

變數比較說明：

• Python 的 int 和 float 對應 Rust 的整數和浮點數，但 Python 中 int 沒有固定大小，而 Rust 需明確指定，如 i32 和 f64。
• 字串與字串切片：Rust 中的 String 是可變的動態字串，而 &str 是不可變的字串切片。Python 的 str 更像是 Rust 的 String，但兩者都有不可變性。
• 陣列與向量：Python 的 list 可靈活變動長度，而 Rust 區分了固定長度的陣列和可變長度的向量。

2. 顯式類型聲明

Rust 要求明確的類型聲明，除非編譯器能夠自動推斷。在 Rust 中，如果未明確宣告變數類型，編譯器會根據上下文自動推斷類型。

let x: i32 = 42;  // 明確定義 i32
let y: &str = "Hello, Rust!";  // 明確定義 &str

當沒有明確宣告類型時，Rust 通常會推斷變數為：

• 整數：預設為 i32
• 浮點數：預設為 f64
• 字串：預設為 &str

如果推斷不明確，如創建空集合，則需顯式定義：

let mut vec = Vec::new();  // 編譯錯誤，無法推斷 Vec 內的類型
let mut vec: Vec<i32> = Vec::new();  // 顯式聲明 Vec<i32>

3. 所有權與借用

Rust 的所有權系統是其核心記憶體管理機制。變數的所有者一旦不再需要它，Rust 會自動釋放記憶體。此外，Rust 提供了「借用」機制，允許不轉移所有權的情況下使用變數。

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 是所有者
    let len = calculate_length(&s);  // 借用了 s，但沒有取得所有權
    println!("The length of '{}' is {}.", s, len);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {  // s 是借用
    s.len()
}

所有權轉移和可變借用是 Rust 記憶體管理中的另一個重要概念：

fn main() {
    let mut s1 = String::from("world");
    modify_string(&mut s1);  // 可變借用 s1 進行修改
    println!("{}", s1);  // 修改後的 s1
}

fn modify_string(s: &mut String) {
    s.push_str(", Rust!");  // 修改借用來的變數
}

4. 模式匹配

Rust 的 match 語句功能強大，類似於 Python 的 if-elif，但更具彈性和表達力。

let number = 2;
match number {
    1 => println!("One"),
    2 => println!("Two"),
    _ => println!("Something else"),  // `_` 匹配所有其他情況
}

match 語句可幫助簡化代碼，避免重複條件判斷，提升可讀性。

5. fn main() 函數

在 Rust 中，fn main() 是每個程式的入口點，類似於 C、C++ 或 Java 中的 main 函數。程式執行時，會先從 main 函數開始執行。因此，所有的程式碼要執行時，必須包裹在 main 函數內。這與 Python 不同，Python 程式碼從上至下依次執行，不需要專門定義一個主函數。

fn main() {
    println!("Hello, Rust!");
}

Rust 編譯後的程式會自動從 main 函數開始執行。與此不同，Python 的直譯程式會逐行執行程式碼，並不強制要求主程式入口點。這意味著，在 Python 中，不需要使用專門的 main 函數來啟動程式。

print("Hello, Python!")

然而，如果你希望在 Python 中模擬類似的結構，可以使用 if __name__ == "__main__": 作為入口點判斷，但這在 Python 中不是強制性的：

def main():
    print("Hello, Python!")

if __name__ == "__main__":
    main()

小結：

• Rust：程式必須有 fn main() 作為入口點，並從此處開始執行。
• Python：程式從上到下執行，無需明確的主函數，但可以使用 if __name__ == "__main__": 來模擬類似結構。

變數宣告：自由與安全的平衡

Python：靈活但無約束

在 Python

中，變數不需要指定類型，並且可以自由更改。

x = 42  # 整數
x = "Now I'm a string!"  # 可以動態改變類型
print(x)

Rust：嚴謹且安全

Rust 的變數類型需在定義時確定，預設不可變，這種設計提升了程式的安全性和穩定性，特別是在多線程環境下。

let mut x = 42;  // 用 `mut` 來定義可變變數
x = 100;
println!("{}", x);

Rust 的 Vec 和迭代器提供了高效的數據處理方式：

fn main() {
    let numbers: Vec<i32> = (1..6).collect();  // 創建 Vec
    let sum: i32 = numbers.iter().sum();  // 使用迭代器計算總和
    println!("Sum of numbers: {}", sum);
}

函數定義：簡潔與精確

Python：靈活多變

Python 中的函數定義不需要指定參數類型或返回值類型，靈活方便。

def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

print(greet("Alice"))

Rust：精確的類型聲明

Rust 要求函數參數和返回值類型必須明確，這雖然使代碼更嚴謹，但能有效避免錯誤。

fn greet(name: &str) -> String {
    format!("Hello, {}!", name)
}

println!("{}", greet("Alice"));

若需要實現 Python 中的預設參數效果，可使用 Option：

fn greet(name: Option<&str>) -> String {
    match name {
        Some(n) => format!("Hello, {}!", n),
        None => "Hello, World!".to_string(),
    }
}

println!("{}", greet(Some("Alice")));  // Hello, Alice!
println!("{}", greet(None));  // Hello, World!

性能測試簡單比較

Python 和 Rust 在處理計算密集任務時的性能存在顯著差異。這裡以計算前 1000 萬個數字的總和為例：

Python 範例：

import time

start_time = time.time()

def calculate_sum(n):
    return sum(range(n))

result = calculate_sum(10000000)
end_time = time.time()

print(f"Result: {result}, Time taken: {end_time - start_time} seconds")

Rust 範例：

use std::time::Instant;

fn calculate_sum(n: u64) -> u64 {
    (0..n).sum()
}

fn main() {
    let start = Instant::now();

    let result = calculate_sum(10_000_000);
    let duration = start.elapsed();

    println!("Result: {}, Time taken: {:?}", result, duration);
}

性能結果：

• Python：實測花費0.26 秒完成計算。
• Rust：實測花費0.062 秒完成計算。

總結

在這篇文章中，我們比較了 Python 和 Rust 的語法差異。Python 靈活性強，適合快速開發；Rust 重視性能與安全，適合大型、高效能應用程式。希望這篇文章能幫助你更輕鬆地理解 Rust，並將其運用到日常開發中！