Rust專案建構實戰應用

Rust 語言兼具高效能、安全性和平行性，適用於開發多種型別應用程式。本文以實務專案為導向，引導讀者學習 Rust 並瞭解其跨領域應用。內容涵蓋命令列程式開發、GUI 設計與實作、WebAssembly 高效能網頁前端技術、REST API 設計與實作，以及嵌入式系統開發。讀者可運用書中提供的程式碼範例和詳細解說，逐步建構各型別應用程式，並深入理解 Rust 語言的特性與應用技巧。本文也探討了 Rust 生態系統的現狀和未來發展，提供讀者更全面的 Rust 學習資源。

實戰 Rust 專案：建構無伺服器、AI、機器學習、嵌入式、遊戲和網頁應用程式

Rust 語言以其高效能、安全性和平行性等特點，成為了開發各種型別應用的理想選擇。本文將引導讀者透過實際的專案來學習 Rust，並深入瞭解其在不同領域的應用。

誰適合閱讀本文？

本文主要針對具有一定程式設計基礎的讀者，尤其是那些對 Rust 語言感興趣的人。無論您是想開發無伺服器應用、AI 和機器學習模型，還是嵌入式系統、遊戲或網頁應用，本文都將提供實用的指導和範例。

本文涵蓋的主題

本文涵蓋了多個主題，包括：

建構命令列程式
使用 Rust 開發無伺服器應用
AI 和機器學習
嵌入式系統開發
遊戲開發
網頁應用開發

建構命令列程式

在第二章中，我們將學習如何使用 Rust 建構一個命令列程式。首先，我們將建立一個新的 Rust 專案，並使用 std::env::args 來讀取命令列引數。然後，我們將使用 Clap 函式庫來處理複雜的命令列引數。

use clap::Parser;

#[derive(Parser)]
struct Args {
    #[arg(short, long)]
    input: String,
}

fn main() {
    let args = Args::parse();
    println!("Input: {}", args.input);
}

內容解密：

此程式碼片段展示瞭如何使用 Clap 函式庫來解析命令列引數。我們定義了一個 Args 結構體，並使用 #[derive(Parser)] 來自動實作命令列引數的解析。然後，在 main 函式中，我們呼叫 Args::parse() 來解析命令列引數，並將結果儲存在 args 變數中。最後，我們列印出 input 引數的值。

如何使用本文

本文的每一章都涵蓋了一個特定的主題，並提供了詳細的範例和解釋。讀者可以按照自己的興趣和需求，選擇特定的章節進行閱讀。

原始碼

本文的所有原始碼都可以在 GitHub 上找到。讀者可以下載原始碼，並跟隨書中的範例進行練習。

目錄解析與重構

原始目錄結構分析

本文目錄涵蓋了多個主題，包括命令列工具開發、圖形使用者介面（GUI）建立、高效能網頁前端技術（WebAssembly）、以及REST API設計。以下是章節的詳細解析：

章節內容重點與技術亮點

第2章：命令列工具開發

重點介紹瞭如何使用Rust語言開發命令列工具
涵蓋了錯誤處理、引數解析、與其他命令的管道互動等關鍵技術
重點講解了如何發布和分發程式，包括從原始碼安裝和發布到crates.io

第3章：圖形使用者介面（GUI）開發

文字使用者介面（TUI）與對話方塊設計
- 實作文字使用者介面的基本方法
- 使用對話方塊與使用者進行互動
- 處理鍵盤輸入事件
圖形使用者介面（GUI）開發
- 使用GTK建立視窗和顯示影像
- 利用Glade設計使用者介面
- 處理使用者輸入與按鈕點選事件

第4章：根據WebAssembly的高效能網頁前端

WebAssembly基礎
- 介紹WebAssembly的基本概念與發展背景
- 建立開發環境與建立專案
實作案例
- 實作圖片縮放功能：檔案載入、Canvas處理、WASM互動
- 使用Rust完全開發前端應用
- CSS樣式設計與檔案刪除功能實作

第5章：REST API設計與實作

後端開發基礎
- 建立基本的後端服務
- 提供靜態檔案服務
REST API實作
- 將資料列表轉換為REST API
- 資料函式庫整合與操作（CRUD）
- 輸入驗證與API測試

目錄結構特點

技術堆疊全面覆寫
- 命令列工具開發
- GUI應用開發
- WebAssembly前端技術
- 後端REST API設計
實踐導向
- 每章節都包含具體的專案實作案例
- 詳細講解了開發流程與關鍵技術點

重構建議

技術整合 將相關技術進行整合，例如在GUI應用中嵌入WebAssembly元件，或在命令列工具中呼叫REST API。
案例升級 提供更複雜的實戰案例，例如：
- 命令列工具：整合多個第三方API
- GUI應用：實作複雜的資料視覺化
- WebAssembly：處理更複雜的影像或影片處理任務
效能最佳化 增加關於效能最佳化相關的章節，例如：
- 命令列工具的效能最佳化技巧
- WebAssembly的效能最佳實踐

使用 Rust 進行實體運算

實體運算是一種結合軟體與硬體的技術，能夠讓我們利用程式控制外部裝置，如 LED、按鈕等。本章將介紹如何使用 Rust 在 Raspberry Pi 上進行實體運算。

瞭解你的 Raspberry Pi

在開始之前，我們需要了解 Raspberry Pi 的基本架構。Raspberry Pi 是一款迷你電腦，具有 GPIO 針腳，可以用來控制外部裝置。

安裝 Raspberry Pi OS

要使用 Raspberry Pi，首先需要安裝作業系統。我們可以使用 Raspberry Pi Imager 來安裝 Raspberry Pi OS。

安裝步驟：

下載並安裝 Raspberry Pi Imager。
將 SD 卡插入電腦，並使用 Raspberry Pi Imager 燒錄 Raspberry Pi OS。
將 SD 卡插入 Raspberry Pi，並啟動。

安裝 Rust 工具鏈

要在 Raspberry Pi 上使用 Rust，需要安裝 Rust 工具鏈。

安裝步驟：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

內容解密：

curl 指令用於下載 Rust 安裝指令碼。
--proto '=https' 和 --tlsv1.2 用於確保安全的連線。
-sSf 引數用於靜默安裝，並在錯誤時離開。
https://sh.rustup.rs 是 Rust 安裝指令碼的網址。
| sh 將下載的指令碼傳給 shell 執行。

瞭解 GPIO 針腳

Raspberry Pi 的 GPIO 針腳可以用來控制外部裝置。我們需要了解哪些針腳可以用於輸入/輸出操作。

建立 LED 電路

要控制 LED，首先需要建立一個簡單的電路。

電路步驟：

將 LED 的正極連線到 GPIO 針腳。
將 LED 的負極連線到接地針腳。

使用 Rust 控制 GPIO 輸出

我們可以使用 Rust 程式控制 GPIO 針腳的輸出。

程式碼範例：

use rppal::gpio::Gpio;

fn main() {
    let gpio = Gpio::new().unwrap();
    let mut pin = gpio.get(17).unwrap().into_output();
    pin.set_high();
}

內容解密：

rppal::gpio::Gpio 用於存取 GPIO 針腳。
Gpio::new().unwrap() 初始化 GPIO。
gpio.get(17).unwrap().into_output() 將第 17 號針腳設定為輸出模式。
pin.set_high() 將針腳設為高電位，點亮 LED。

讀取按鈕點選

除了控制輸出，我們還可以讀取輸入裝置，如按鈕。

程式碼範例：

use rppal::gpio::Gpio;

fn main() {
    let gpio = Gpio::new().unwrap();
    let pin = gpio.get(23).unwrap().into_input();
    loop {
        if pin.is_high() {
            println!("Button pressed!");
        }
    }
}

內容解密：

gpio.get(23).unwrap().into_input() 將第 23 號針腳設定為輸入模式。
pin.is_high() 檢查按鈕是否被按下。

跨平台編譯到 Raspberry Pi

要在 Raspberry Pi 上執行 Rust 程式，需要進行跨平台編譯。

編譯步驟：

安裝交叉編譯工具鏈。

rustup target add arm-unknown-linux-gnueabihf

編譯程式。

cargo build --target arm-unknown-linux-gnueabihf

GPIO 程式碼的工作原理

GPIO 程式碼的工作原理是透過控制 GPIO 暫存器來實作輸入/輸出操作。

未來方向

實體運算在物聯網（IoT）等領域有廣泛的應用。未來可以探索更多相關專案，如使用 Rust 控制更多的硬體裝置。

Rust 技術的無限可能

Rust 程式語言在近年來逐漸嶄露頭角，不僅因其出色的效能表現，更因為其在系統程式設計、網路服務、以及嵌入式系統等領域的廣泛應用。本章節將探討 Rust 在不同領域的應用，並展望其未來的發展。

網頁開發與伺服器渲染

Rust 不僅可以用於系統程式設計，也能在網頁開發領域發揮其優勢。透過使用如 Rocket 或 actix-web 等網頁框架，開發者能夠建立高效能且安全的網頁服務。此外，Rust 也支援伺服器端渲染（Server-side Rendered Website），讓網頁應用程式能夠在伺服器端進行渲染，提升使用者經驗。

網路爬蟲與網頁瀏覽器

Rust 的高效能與安全性使其成為開發網路爬蟲與網頁瀏覽器的理想選擇。透過使用如 reqwest 或 surf 等 HTTP 客戶端函式庫，開發者能夠輕鬆地建立網路爬蟲。同時，Rust 也被用於開發網頁瀏覽器的引擎，如 Servo 瀏覽器引擎專案。

移動裝置與嵌入式系統

Rust 也被廣泛應用於移動裝置與嵌入式系統的開發。由於 Rust 的記憶體安全特性和高效能，使其成為開發嵌入式系統的理想選擇。同時，Rust 也支援 Android 與 iOS 的開發，讓開發者能夠建立跨平台的移動應用程式。

雲端運算與區塊鏈

Rust 在雲端運算領域也佔有一席之地。許多雲端服務提供商，如 Amazon Web Services（AWS），都使用 Rust 進行開發。同時，Rust 也被用於區塊鏈與加密貨幣的開發，如 Parity 專案。

無限的可能性

Rust 的應用範圍遠不止於上述領域。由於其高效能、記憶體安全、以及並發性等特點，Rust 能夠被應用於各種不同的領域。無論是開發作業系統、嵌入式系統、還是雲端服務，Rust 都能夠提供強大的支援。

內容解密：

Rust 的未來發展將會更加多元，不僅限於現有的應用領域。隨著 Rust 社群的不斷成長與發展，我們可以期待看到更多根據 Rust 的創新專案與應用。

Rust 的未來發展值得期待。隨著其在不同領域的應用不斷擴充套件，Rust 將會成為更多開發者的首選語言。同時，Rust 社群的不斷成長也將會推動 Rust 語言的發展，讓其變得更加完善與強大。

// 範例程式碼：使用 Rust 進行並發程式設計
use std::thread;

fn main() {
    let handle = thread::spawn(|| {
        println!("Hello from a thread!");
    });
    handle.join().unwrap();
}

內容解密：

這段程式碼展示瞭如何使用 Rust 的 std::thread 模組建立一個新的執行緒。在 main 函式中，我們使用 thread::spawn 建立了一個新的執行緒，並在其中列印了一條訊息。然後，我們使用 handle.join().unwrap() 等待執行緒完成。這段程式碼展示了 Rust 在並發程式設計方面的簡單與高效。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam sequenceArrowThickness 2

title Rust專案建構實戰應用

actor "客戶端" as client
participant "API Gateway" as gateway
participant "認證服務" as auth
participant "業務服務" as service
database "資料庫" as db
queue "訊息佇列" as mq

client -> gateway : HTTP 請求
gateway -> auth : 驗證 Token
auth --> gateway : 認證結果

alt 認證成功
    gateway -> service : 轉發請求
    service -> db : 查詢/更新資料
    db --> service : 回傳結果
    service -> mq : 發送事件
    service --> gateway : 回應資料
    gateway --> client : HTTP 200 OK
else 認證失敗
    gateway --> client : HTTP 401 Unauthorized
end

@enduml

此圖示展示了 Rust 程式語言在不同領域的應用，包括網頁開發、嵌入式系統、雲端運算等。每個領域都有其特定的應用場景與技術特點。透過使用 Rust，開發者能夠建立高效能且安全的應用程式。

歡迎進入 Rust 的世界

如果你正在閱讀這本文，你可能和我們一樣對 Rust 感到興奮。自 2015 年首次穩定釋出以來，Rust 在功能和穩定性方面已經取得了長足的進步。全球的開發者都對 Rust 如何結合曾經被認為是不可避免的權衡取捨的功能感到著迷：效能與記憶體安全，以及低階控制與生產力。儘管 Rust 的學習曲線陡峭，但它在過去幾年中仍獲得了廣泛的歡迎。在 2016 年至 2023 年的八年間，Rust 連續被 StackOverflow 調查評為「最受喜愛的程式語言」。2022 年，它還被評為「最受期待的程式語言」，僅次於 Python。許多大型企業和組織，如 Amazon、Facebook、Google、Microsoft、Dropbox 和 npm，都在生產環境中使用 Rust。Android 平台支援使用 Rust 編寫原生元件，而 Rust 更是繼 C 之後第一個被加入 Linux 核心的語言。

Rust 生態系統的現狀

目前 Rust 生態系統有多大？如果我們檢視官方的 Rust 套件（函式庫）登入檔 crates.io，會發現有超過 100,000 個套件和每天超過五千萬次下載。crates.io 上有 55 個類別¹，涵蓋了從命令列介面和密碼學到資料函式庫、遊戲、作業系統、網頁程式設計等眾多領域。使用這些函式庫的體驗如何？Rust 的語法和設計哲學如何影響這些套件的設計？如何開始編寫一些具有真實使用案例的酷炫程式碼？本文將嘗試回答這些問題。

本文的目的

本文旨在透過一些專案，讓你能夠將核心的 Rust 知識應用到不同的領域。其目標是向你展示 Rust 可以用於哪些方面，以及如何在 Rust 中實作這些功能。本文希望能夠激發你的創造力，讓你看到 Rust 的多面性，並在某些情況下，展示出你可以改進的地方。許多程式設計師覺得，從新手到專家之間的差距是不可逾越的，而那些構建「真實」生產應用的人一定有特殊的才能。希望這裡的例子能夠幫助你建立信心，並向你展示任何人都可以透過一點指導和決心，在 Rust 中構建真實、實用的專案。

原始碼

本文將帶你進入 Rust 的世界，並透過實際的專案來展示 Rust 的強大功能和靈活性。希望你能從中獲得啟發，並開始你的 Rust 程式設計之旅。

本文適用物件與目標

本文主要針對以下讀者：

已經熟悉Rust基本語法，希望學習如何使用Rust建立應用程式的開發者
考慮使用Rust建立生產就緒系統，並希望瞭解各種選項的開發者
希望快速瞭解其他領域中高階架構和程式介面設計的開發者

你可能出於好奇而學習Rust，在完成所有教學和入門書籍後，你可能會想知道「接下來該做什麼？」或「可以用Rust建立什麼？」。本文將帶領你探索Rust的各種應用，幫助你從基本的語言理論轉向建立真實的應用程式。Rust具有令人著迷的設計和許多有趣的語言特性，但僅僅知道如何撰寫基本的演算法和資料結構並不一定能讓你為建立有用的應用程式做好準備。我們試圖找到最適合生產環境且現代化的Rust函式庫，讓你可以判斷Rust是否適合你所構想的應用程式。如果不適合，你可能會發現有機會透過改進現有的函式庫和框架，或設計和建立新的函式庫來回饋Rust社群。

你可能為了特定的專案而學習Rust，例如工作中的CLI工具或碰巧使用Rust的開源瀏覽器引擎。一旦你掌握了該領域的Rust知識，學習其他領域的Rust知識將會有所裨益。例如，透過建立遊戲，你將瞭解遊戲引擎設計師如何組織程式碼，使其解耦且易於維護，同時保持高效能。你可能永遠不會在工作中建立遊戲，但這些知識可能會影響你下一個專案的架構。另一個例子是，學習如何將程式碼交叉編譯到Raspberry Pi可能會幫助你瞭解如何編譯到WebAssembly。本文旨在帶領你探索Rust的各種應用，讓你瞭解它們的應用程式介面（API）以及如何組織程式碼和架構。

本文不適用物件

本文可能不適合以下讀者：

想要學習Rust程式語言本身的開發者
想要深入研究某一特定領域的開發者
尋找最實驗性和最前沿的Rust使用案例的開發者

本文不是一門關於Rust程式語言本身的課程，也不是透過範例來教授Rust語法。我們將專注於應用程式本身及其領域知識，假設你已經熟悉Rust的語法和語言特性（儘管我們會在需要時回顧更進階的功能）。關於Rust本身，有許多優秀的書籍，例如Steve Klabnik和Carol Nichols所著的《The Rust Programming Language》。你也可以在官方網站的「Learn Rust」部分找到線上書籍、互動式教學和影片。

選擇函式庫的標準

儘管Rust已經被用於許多生產級專案，但它仍然是一種相對年輕的語言，不斷創新。這意味著有時選擇每個章節中要使用的函式庫或框架可能會是一個挑戰。在幾乎每個領域，都有實驗性的純Rust實作，以及同樣多的Rust繫結其他語言中的流行函式庫（尤其是在C和C++領域）。在某些領域，已經出現了明確的長官者，某個特定的函式庫成為了事實上的標準。在其他領域，存在許多概念驗證套件，但沒有明確的贏家。Rust的早期採用者通常是喜歡冒險的開發者，他們能夠忍受函式庫中的粗糙邊緣，並找到解決方法（Rust生態系統使得下載和檢查任何使用的函式庫原始碼變得容易）。一些函式庫專注於創新和實驗，而其他函式庫則重視穩定性和生產就緒性。在本文中，我們試圖展示每個領域的核心概念，以及如何將其轉化為慣用的Rust API。因此，我們根據以下標準選擇所使用的函式庫：

純Rust實作

我們通常試圖找到純粹用Rust建立的函式庫。Rust的FFI（外部函式介面）允許你從Rust呼叫現有的C函式庫（以及許多其他語言）。這反過來意味著，快速建立Rust應用程式的最簡單方法通常是利用其他語言中的現有函式庫。這些函式庫通常是為其他語言設計的，因此用Rust包裝它們會導致奇怪且非慣用的Rust API。如果有純粹的Rust函式庫或使用現有技術但從頭開始用Rust建立的函式庫，我們傾向於選擇這些。

成熟度

然而，並非每個純粹的Rust函式庫都非常成熟。因為許多Rust函式庫是從零開始建立的，開發人員經常嘗試使用最新的技術，這可能意味著架構和API設計非常實驗性且經常變化。一些函式庫在早期顯示出巨大的潛力，但隨後開發速度減慢，最終進入維護模式或被放棄。我們的目標是建立有用的軟體，而不是嘗試使用令人興奮的技術然後丟棄程式碼。因此，我們需要務實地選擇足夠成熟且使用廣泛接受的設計模式的函式庫，而不是教條地堅持使用純Rust函式庫。我們在第三章中選擇使用根據GTK+的函式庫就是出於這個原因。

內容解密：

本段落主要闡述了本文在選擇函式庫時所依據的標準。首先，本文傾向於選擇純粹用 Rust 編寫的函式庫，以避免因包裝其他語言的函式庫而導致非慣用的 Rust API。其次，本文也考慮到函式庫的成熟度，避免選擇過於實驗性或開發緩慢的函式庫。這些標準確保了本文所展示的範例具有實用性和可參考性。

程式碼範例：

// 以下是一個簡單的使用純 Rust 實作的範例
// 使用 Cargo 建立一個新的 Rust 專案
// cargo new my_project
// 在 Cargo.toml 中新增相依性，例如使用純 Rust 的 HTTP 客戶端 reqwest
// [dependencies]
// reqwest = "0.11.10"
// tokio = { version = "1", features = ["full"] }

// 在 src/main.rs 中撰寫以下程式碼
use reqwest;

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), reqwest::Error> {
    let res = reqwest::get("https://www.rust-lang.org").await?;

    println!("Status: {}", res.status());

    let body = res.text().await?;

    println!("Body: {}", body);

    Ok(())
}

內容解密：

上述範例展示了一個簡單的使用純 Rust HTTP 客戶端 reqwest 的非同步 HTTP 請求。reqwest 是純 Rust 編寫且成熟穩定的 HTTP 客戶端，能夠與 Tokio 非同步執行時期良好整合。首先，我們在 Cargo.toml 中新增 reqwest 和 Tokio 的相依性，接著在 src/main.rs 中撰寫非同步 main 函式，利用 reqwest::get 傳送 GET 請求並處理回應，最後列印 HTTP 狀態碼和回應主體。這段程式碼完整展示瞭如何在 Rust 中進行非同步 HTTP 請求，並強調了 reqwest 的易用性和強大的功能。

本文旨在提供一個廣泛的概述，讓讀者瞭解使用Rust可以做什麼以及開發者體驗是什麼樣的。因此，範例被簡化，以便沒有該特定領域背景的人仍然可以瞭解所使用的思維模型。同時，我們並不是主張本文中介紹的方法是建立這些應用程式的「最佳」或最流行的方式。我們試圖在現代化和實用性之間取得平衡。最終，每個範例都應該為你提供一個功能性專案的核心，觸及一些常見的問題，並向你展示如何在新的領域中使用Rust。

https://crates.io/categories ↩︎

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。