青少年编程与数学 02-019 Rust 编程基础 08课题、字面量、运算符和表达式

课题摘要:
在 Rust 中，字面量、运算符和表达式是构建程序的基础组件，它们共同构成了 Rust 语言的核心语法。本文介绍Rust中的字面量、运算符和表达式。

关键词：字面量、运算符、表达式

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一、字面量

在 Rust 中，字面量（Literals）是指直接在代码中表示的值，它们是程序中最基本的表达形式。字面量可以是数字、字符、字符串、布尔值等。以下是对 Rust 中字面量的详细解析：

1. 字面量的分类

Rust 中的字面量可以分为以下几类：

1.1 整数字面量

整数字面量可以表示整数类型（如 i32、u32、i64 等）。它们可以有以下几种形式：

• 十进制：直接写数字，如 42。
• 十六进制：以 0x 开头，如 0x2A（等同于十进制的 42）。
• 八进制：以 0o 开头，如 0o52（等同于十进制的 42）。
• 二进制：以 0b 开头，如 0b101010（等同于十进制的 42）。
• 下划线分隔：可以在数字中使用下划线 _ 来分隔数字，提高可读性，如 1_000_000。

示例：

let decimal = 42;
let hex = 0x2A;
let octal = 0o52;
let binary = 0b101010;
let large_number = 1_000_000;

1.2 浮点数字面量

浮点数字面量用于表示浮点数，可以是 f32 或 f64 类型。它们可以有以下几种形式：

• 十进制表示：直接写数字和小数点，如 3.14。
• 科学计数法：使用 e 或 E 表示指数部分，如 1.23e4（等同于 12300.0）。
• 类型后缀：可以显式指定类型后缀，如 1.23f32 或 4.56f64。

示例：

let float = 3.14;
let scientific = 1.23e4;
let f32_value = 4.56f32;
let f64_value = 7.89f64;

1.3 字符字面量

字符字面量用于表示单个字符，用单引号 ' 包裹。它可以表示：

• 普通字符：如 'a'。
• Unicode 字符：如 '中'。
• 转义字符：如 '\n'（换行符）、'\t'（制表符）、'\\'（反斜杠）等。
• Unicode 转义：使用 \u{} 表示 Unicode 码点，如 '\u{4E2D}'（等同于 '中'）。

示例：

let letter = 'a';
let chinese_char = '中';
let newline = '\n';
let unicode_escape = '\u{4E2D}';

1.4 字符串字面量

字符串字面量用于表示字符串，用双引号 " 包裹。它可以包含：

• 普通字符：如 "Hello, world!"。

• 转义字符：如 "\n"（换行符）、"\t"（制表符）、"\\"（反斜杠）等。

• 原始字符串：使用 r#""# 包裹，可以包含任意字符，包括换行符和双引号，而无需转义。例如：

  let raw_string = r#"C:\Users\Alice\Documents"#;
  

示例：

let greeting = "Hello, world!";
let multiline_string = "This is a\nmultiline string.";
let raw_string = r#"C:\Users\Alice\Documents"#;

1.5 布尔字面量

布尔字面量只有两个值：true 和 false。

示例：

let is_active = true;
let is_disabled = false;

1.6 字节数组字面量

字节数组字面量用于表示字节数组，用 b"" 包裹。它可以包含：

• 普通字符：如 b"Hello"。
• 转义字符：如 b"\n"（换行符）、b"\t"（制表符）、b"\\"（反斜杠）等。

示例：

let bytes = b"Hello";

2. 字面量的类型推断

Rust 是一种强类型语言，但在某些情况下，字面量的类型可以由编译器推断。例如：

• 如果上下文明确指定了类型，编译器会根据上下文推断字面量的类型。
• 如果没有明确指定类型，编译器会使用默认类型：
  • 整数默认为 i32。
  • 浮点数默认为 f64。

示例：

let x = 42; // 默认类型为 i32
let y = 3.14; // 默认类型为 f64let z: i64 = 123; // 显式指定类型为 i64
let w: f32 = 4.56; // 显式指定类型为 f32

3. 字面量的用途

字面量在 Rust 中的用途非常广泛，主要用于以下场景：

• 初始化变量：为变量赋初始值。
• 函数参数：作为函数的参数传递。
• 数组和元组的元素：作为数组或元组的元素。
• 条件表达式：在 if、while 等条件表达式中使用。

4. 字面量的限制

• 类型必须明确：虽然编译器可以推断某些字面量的类型，但在某些情况下，必须显式指定类型。
• 转义字符的使用：在字符串和字符字面量中，特殊字符需要使用转义序列。
• 原始字符串的限制：原始字符串不能使用转义字符，但可以通过 r#""# 包裹来包含任意字符。

字面量总结

字面量是 Rust 中最基本的数据表示形式，它用于直接在代码中表示值。Rust 支持多种类型的字面量，包括整数、浮点数、字符、字符串、布尔值和字节数组。通过合理使用字面量，可以简化代码的编写，并提高代码的可读性。

二、运算符

在 Rust 中，运算符用于执行各种操作，包括算术运算、逻辑运算、比较运算等。Rust 提供了丰富的运算符，涵盖了几乎所有常见的操作。以下是对 Rust 中运算符的详细解析：

1. 算术运算符

算术运算符用于执行基本的数学运算。

运算符	描述	示例	结果
+	加法	let a = 1 + 2;	a = 3
-	减法	let b = 5 - 3;	b = 2
*	乘法	let c = 4 * 3;	c = 12
/	除法	let d = 10 / 2;	d = 5
%	取模（余数）	let e = 10 % 3;	e = 1

2. 逻辑运算符

逻辑运算符用于执行布尔逻辑运算。

运算符	描述	示例	结果
&&	逻辑与	let a = true && false;	a = false
`		`	逻辑或
!	逻辑非	let c = !true;	c = false

3. 比较运算符

比较运算符用于比较两个值，并返回布尔值。

运算符	描述	示例	结果
==	等于	let a = 1 == 2;	a = false
!=	不等于	let b = 1 != 2;	b = true
>	大于	let c = 2 > 1;	c = true
<	小于	let d = 1 < 2;	d = true
>=	大于等于	let e = 2 >= 2;	e = true
<=	小于等于	let f = 1 <= 2;	f = true

4. 位运算符

位运算符用于对整数的二进制位进行操作。

运算符	描述	示例	结果
&	位与	let a = 5 & 3;	a = 1
`	`	位或	`let b = 5
^	位异或	let c = 5 ^ 3;	c = 6
!	位非	let d = !5;	d = -6
<<	左移	let e = 5 << 1;	e = 10
>>	右移	let f = 5 >> 1;	f = 2

5. 赋值运算符

赋值运算符用于将值赋给变量。

运算符	描述	示例	结果
=	简单赋值	let a = 5;	a = 5
+=	加法赋值	let mut a = 5; a += 3;	a = 8
-=	减法赋值	let mut b = 5; b -= 3;	b = 2
*=	乘法赋值	let mut c = 5; c *= 3;	c = 15
/=	除法赋值	let mut d = 10; d /= 2;	d = 5
%=	取模赋值	let mut e = 10; e %= 3;	e = 1
&=	位与赋值	let mut a = 5; a &= 3;	a = 1
`	=`	位或赋值	`let mut b = 5; b
^=	位异或赋值	let mut c = 5; c ^= 3;	c = 6
<<=	左移赋值	let mut e = 5; e <<= 1;	e = 10
>>=	右移赋值	let mut f = 5; f >>= 1;	f = 2

6. 范围运算符

范围运算符用于创建范围。

运算符	描述	示例	结果
..	范围（不包括上界）	for i in 0..5 { ... }	i = 0, 1, 2, 3, 4
..=	范围（包括上界）	for i in 0..=5 { ... }	i = 0, 1, 2, 3, 4, 5

7. 条件运算符

Rust 还提供了一个三元条件运算符，用于根据条件选择值。

运算符	描述	示例	结果
?	条件运算符	let a = if condition { x } else { y };	根据条件返回 x 或 y

8. 运算符重载

Rust 允许通过实现特定的特质（traits）来重载运算符。例如，可以通过实现 std::ops::Add 特质来重载 + 运算符。

use std::ops::Add;struct Point {x: i32,y: i32,
}impl Add for Point {type Output = Point;fn add(self, other: Point) -> Point {Point {x: self.x + other.x,y: self.y + other.y,}}
}fn main() {let p1 = Point { x: 1, y: 2 };let p2 = Point { x: 3, y: 4 };let p3 = p1 + p2; // 使用重载的 + 运算符println!("p3: ({}, {})", p3.x, p3.y); // 输出：p3: (4, 6)
}

注意事项

• 优先级：Rust 的运算符有优先级，例如乘法和除法的优先级高于加法和减法。可以通过括号改变优先级。
• 短路逻辑：逻辑与（&&）和逻辑或（||）运算符具有短路行为，即如果第一个条件已经决定了结果，第二个条件不会被计算。
• 溢出：整数运算可能会导致溢出。在调试模式下，Rust 会检查溢出并报错；在发布模式下，溢出行为是未定义的。

通过合理使用这些运算符，可以编写出高效且可读性强的 Rust 代码。

三、表达式

在 Rust 中，表达式（Expression）是程序中执行某些操作并产生值的语法构造。与语句（Statement）不同，表达式总是返回一个值，而语句则不返回值。理解表达式是掌握 Rust 编程的基础。以下是对 Rust 中表达式的详细解析。

1. 表达式的定义

表达式是 Rust 程序的基本构建块，它可以执行操作并产生一个值。表达式可以非常简单，如一个字面量或变量，也可以是复杂的，包含多个操作符和子表达式。

2. 表达式的类型

Rust 中的表达式可以分为以下几类：

字面量表达式

字面量是直接表示值的表达式，例如数字、字符串或布尔值。

let x = 42; // 整数字面量
let y = "Hello"; // 字符串字面量
let z = true; // 布尔字面量

变量表达式

变量表达式是通过变量名引用变量的值。

let a = 10;
let b = a; // 使用变量 a 的值

运算符表达式

运算符表达式是通过运算符对值进行操作的表达式。

let sum = 1 + 2; // 加法运算符
let product = 3 * 4; // 乘法运算符
let is_equal = 5 == 5; // 比较运算符

函数调用表达式

函数调用表达式是通过函数名和参数列表调用函数的表达式。

fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {a + b
}let result = add(3, 4); // 调用函数

方法调用表达式

方法调用表达式是通过对象调用其方法的表达式。

let mut vec = Vec::new();
vec.push(1); // 调用 Vec 的 push 方法

条件表达式

条件表达式是根据条件选择不同值的表达式。Rust 中的 if 表达式是一个典型的条件表达式。

let number = 5;
let is_positive = if number > 0 { true } else { false };

循环表达式

循环表达式是通过循环语句执行重复操作的表达式。Rust 中的 loop、while 和 for 都是循环表达式。

let mut counter = 0;
let result = loop {counter += 1;if counter == 10 {break counter * 2;}
};
println!("Result: {}", result); // 输出：Result: 20

块表达式

块表达式是通过花括号 {} 包裹的一组语句和表达式。块表达式返回其最后一个表达式的值。

let x = {let y = 3;y + 1
};
println!("x: {}", x); // 输出：x: 4

3. 表达式的值

每个表达式都有一个值，这个值可以被赋值给变量，也可以作为其他表达式的一部分。例如：

let x = 5 + 3; // 表达式 5 + 3 的值是 8
let y = {let z = 10;z + 2 // 块表达式的值是 z + 2 的结果，即 12
};

4. 表达式的优先级

Rust 中的表达式遵循一定的优先级规则，这些规则决定了表达式中各个部分的计算顺序。例如，乘法和除法的优先级高于加法和减法。

let result = 5 + 3 * 2; // 先计算 3 * 2，再计算 5 + 6

如果需要改变优先级，可以使用括号明确指定计算顺序：

let result = (5 + 3) * 2; // 先计算 5 + 3，再计算 8 * 2

5. 表达式与语句的区别

在 Rust 中，表达式和语句是不同的概念：

• 表达式：总是返回一个值。
• 语句：不返回值，通常用于执行某些操作，如变量声明或函数调用。

例如，以下是一个语句：

let x = 5; // 这是一个语句，它声明了一个变量 x

而以下是一个表达式：

let y = { 5 }; // 这是一个块表达式，它的值是 5

6. 表达式的应用场景

表达式在 Rust 中的应用非常广泛，以下是一些常见的应用场景：

函数返回值

函数的返回值是一个表达式的结果。例如：

fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {a + b // 表达式
}

条件分支

if 和 match 表达式用于根据条件选择不同的值。例如：

let number = 5;
let is_positive = if number > 0 { true } else { false };let message = match number {0 => "zero",1 => "one",_ => "other",
};

循环控制

loop、while 和 for 表达式用于执行重复操作。例如：

let mut counter = 0;
let result = loop {counter += 1;if counter == 10 {break counter * 2;}
};

7. 示例代码

以下是一个完整的示例代码，展示了 Rust 中表达式的多种用法：

fn main() {// 字面量表达式let x = 42;// 变量表达式let y = x;// 运算符表达式let sum = x + y;// 函数调用表达式let product = multiply(x, y);// 条件表达式let is_positive = if sum > 0 { true } else { false };// 块表达式let z = {let temp = 10;temp + 2};// 循环表达式let mut counter = 0;let result = loop {counter += 1;if counter == 10 {break counter * 2;}};println!("x: {}", x);println!("y: {}", y);println!("sum: {}", sum);println!("product: {}", product);println!("is_positive: {}", is_positive);println!("z: {}", z);println!("result: {}", result);
}fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {a * b
}

表达式总结

Rust 中的表达式是程序的核心组成部分，它们用于执行操作并产生值。表达式可以非常简单，也可以非常复杂，涵盖了字面量、变量、运算符、函数调用、条件分支、循环控制等多种形式。通过合理使用表达式，可以编写出高效且可读性强的 Rust 代码。

四、综合示例

以下是一个综合示例代码，展示了 Rust 中字面量、运算符及表达式的用法：

fn main() {// 字面量的使用// 整数字面量let decimal = 42;let hex = 0x2A;let octal = 0o52;let binary = 0b101010;let large_number = 1_000_000;// 浮点数字面量let float = 3.14;let scientific = 1.23e4;let f32_value = 4.56f32;let f64_value = 7.89f64;// 字符字面量let letter = 'a';let chinese_char = '中';let newline = '\n';let unicode_escape = '\u{4E2D}';// 字符串字面量let greeting = "Hello, world!";let multiline_string = "This is a\nmultiline string.";let raw_string = r#"C:\Users\Alice\Documents"#;// 布尔字面量let is_active = true;let is_disabled = false;// 字节数组字面量let bytes = b"Hello";// 输出字面量的值println!("整数字面量：decimal = {}, hex = {}, octal = {}, binary = {}, large_number = {}", decimal, hex, octal, binary, large_number);println!("浮点数字面量：float = {}, scientific = {}, f32_value = {}, f64_value = {}", float, scientific, f32_value, f64_value);println!("字符字面量：letter = {}, chinese_char = {}, newline = {:?}, unicode_escape = {}", letter, chinese_char, newline, unicode_escape);println!("字符串字面量：greeting = {}, multiline_string = {}", greeting, multiline_string);println!("原始字符串：raw_string = {}", raw_string);println!("布尔字面量：is_active = {}, is_disabled = {}", is_active, is_disabled);println!("字节数组字面量：bytes = {:?}", bytes);// 运算符的使用// 算术运算符let sum = 1 + 2;let difference = 5 - 3;let product = 4 * 3;let quotient = 10 / 2;let remainder = 10 % 3;// 逻辑运算符let and_result = true && false;let or_result = true || false;let not_result = !true;// 比较运算符let equal = 1 == 2;let not_equal = 1 != 2;let greater_than = 2 > 1;let less_than = 1 < 2;let greater_than_or_equal = 2 >= 2;let less_than_or_equal = 1 <= 2;// 位运算符let bitwise_and = 5 & 3;let bitwise_or = 5 | 3;let bitwise_xor = 5 ^ 3;let bitwise_not = !5;let left_shift = 5 << 1;let right_shift = 5 >> 1;// 赋值运算符let mut a = 5;a += 3;let mut b = 5;b -= 3;let mut c = 5;c *= 3;let mut d = 10;d /= 2;let mut e = 10;e %= 3;// 输出运算符的结果println!("算术运算符：sum = {}, difference = {}, product = {}, quotient = {}, remainder = {}", sum, difference, product, quotient, remainder);println!("逻辑运算符：and_result = {}, or_result = {}, not_result = {}", and_result, or_result, not_result);println!("比较运算符：equal = {}, not_equal = {}, greater_than = {}, less_than = {}, greater_than_or_equal = {}, less_than_or_equal = {}", equal, not_equal, greater_than, less_than, greater_than_or_equal, less_than_or_equal);println!("位运算符：bitwise_and = {}, bitwise_or = {}, bitwise_xor = {}, bitwise_not = {}, left_shift = {}, right_shift = {}", bitwise_and, bitwise_or, bitwise_xor, bitwise_not, left_shift, right_shift);println!("赋值运算符：a = {}, b = {}, c = {}, d = {}, e = {}", a, b, c, d, e);// 表达式的使用// 字面量表达式let x = 42;// 变量表达式let y = x;// 运算符表达式let sum = x + y;// 函数调用表达式let product = multiply(x, y);// 条件表达式let is_positive = if sum > 0 { true } else { false };// 块表达式let z = {let temp = 10;temp + 2};// 循环表达式let mut counter = 0;let result = loop {counter += 1;if counter == 10 {break counter * 2;}};// 输出表达式的结果println!("字面量表达式：x = {}", x);println!("变量表达式：y = {}", y);println!("运算符表达式：sum = {}", sum);println!("函数调用表达式：product = {}", product);println!("条件表达式：is_positive = {}", is_positive);println!("块表达式：z = {}", z);println!("循环表达式：result = {}", result);
}// 定义一个简单的函数
fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {a * b
}

运行结果

整数字面量：decimal = 42, hex = 42, octal = 42, binary = 42, large_number = 1000000
浮点数字面量：float = 3.14, scientific = 12300, f32_value = 4.56, f64_value = 7.89
字符字面量：letter = a, chinese_char = 中, newline = '\n', unicode_escape = 中
字符串字面量：greeting = Hello, world!, multiline_string = This is a
multiline string.
原始字符串：raw_string = C:\Users\Alice\Documents
布尔字面量：is_active = true, is_disabled = false
字节数组字面量：bytes = [72, 101, 108, 108, 111]
算术运算符：sum = 3, difference = 2, product = 12, quotient = 5, remainder = 1
逻辑运算符：and_result = false, or_result = true, not_result = false
比较运算符：equal = false, not_equal = true, greater_than = true, less_than = true, greater_than_or_equal = true, less_than_or_equal = true
位运算符：bitwise_and = 1, bitwise_or = 7, bitwise_xor = 6, bitwise_not = -6, left_shift = 10, right_shift = 2
赋值运算符：a = 8, b = 2, c = 15, d = 5, e = 1
字面量表达式：x = 42
变量表达式：y = 42
运算符表达式：sum = 84
函数调用表达式：product = 1764
条件表达式：is_positive = true
块表达式：z = 12
循环表达式：result = 20进程已结束，退出代码为 0

示例代码说明

1. 字面量的使用：

   • 展示了各种类型的字面量（整数、浮点数、字符、字符串、布尔值、字节数组）的定义和输出。
   • 包括不同进制的整数字面量（十进制、十六进制、八进制、二进制）和字符串的转义字符。

2. 运算符的使用：

   • 展示了算术运算符、逻辑运算符、比较运算符、位运算符和赋值运算符的用法。
   • 每个运算符的结果都被打印出来，便于观察。

3. 表达式的使用：

   • 展示了字面量表达式、变量表达式、运算符表达式、函数调用表达式、条件表达式、块表达式和循环表达式的用法。
   • 每个表达式的结果都被打印出来，展示了表达式的多样性和灵活性。

通过这个示例代码，可以全面了解 Rust 中字面量、运算符和表达式的用法。

总结

在 Rust 中，字面量、运算符和表达式是构建程序的基础组件，它们共同构成了 Rust 语言的核心语法。

字面量（Literals）

字面量是直接表示值的语法构造，它们是表达式的最基本形式。Rust 支持多种类型的字面量，包括：

• 整数字面量：如 42、0xFF（十六进制）、0b1010（二进制）。
• 浮点数字面量：如 3.14、2.0f64（显式指定类型）。
• 字符字面量：如 'a'、'中'（UTF-8 编码）。
• 字符串字面量：如 "Hello"，存储为 UTF-8 编码的字符串。
• 布尔字面量：true 和 false。
• 数组和元组字面量：如 [1, 2, 3]（数组）、(1, "a")（元组）。

字面量是不可变的，它们的值在编译时就已经确定。

运算符（Operators）

运算符是用于对字面量或变量进行操作的符号。Rust 提供了多种运算符，包括：

• 算术运算符：+、-、*、/、%。
• 逻辑运算符：&&（逻辑与）、||（逻辑或）、!（逻辑非）。
• 比较运算符：==、!=、>、<、>=、<=。
• 位运算符：&、|、^、!、<<、>>。
• 赋值运算符：=、+=、-=、*=、/=、%= 等。
• 范围运算符：..（不包括上界）、..=（包括上界）。

运算符用于组合字面量和变量，形成更复杂的表达式。

表达式（Expressions）

表达式是由字面量、变量、运算符和函数调用等组成的语法构造，它们可以执行操作并返回一个值。表达式是 Rust 程序的基本构建块，例如：

• 简单表达式：1 + 2、x * y。
• 函数调用表达式：add(3, 4)。
• 条件表达式：if x > 0 { 1 } else { -1 }。
• 块表达式：{ let y = 3; y + 1 }。
• 循环表达式：loop { break 42; }。

表达式可以嵌套，形成复杂的逻辑结构。Rust 的表达式遵循优先级规则，可以通过括号明确指定计算顺序。

总之，字面量是表达式的最基本形式，表示具体的值；运算符用于对字面量和变量进行操作；表达式则是由字面量、变量和运算符组合而成的语法构造，用于执行操作并产生值。它们共同构成了 Rust 程序的基础，是编写 Rust 代码的核心语法元素。