rust-patterns

Rust 開發模式

用於建構安全、高效且易於維護應用程式的慣用 Rust 模式與最佳實踐。

何時使用

• 撰寫新的 Rust 程式碼
• 審查 Rust 程式碼
• 重構現有的 Rust 程式碼
• 設計 crate 結構與模組佈局

運作方式

此技能在六個關鍵領域強制執行慣用的 Rust 慣例：透過所有權與借用系統在編譯期防止資料競爭；使用 thiserror（函式庫）與 anyhow（應用程式）進行 Result/? 錯誤傳播；利用枚舉與窮舉模式匹配使非法狀態無法表示；透過 trait 與泛型實現零成本抽象；使用 Arc<Mutex<T>>、通道（channel）與 async/await 達成安全並發；以及按領域組織的最小公開（pub）介面。

核心原則

1. 所有權與借用

Rust 的所有權系統在編譯期防止資料競爭與記憶體錯誤。

// 良好：不需要所有權時傳遞引用
fn process(data: &[u8]) -> usize {
    data.len()
}

// 良好：僅在需要儲存或消費時取得所有權
fn store(data: Vec<u8>) -> Record {
    Record { payload: data }
}

// 不良：為了繞過借用檢查器而進行不必要的 clone
fn process_bad(data: &Vec<u8>) -> usize {
    let cloned = data.clone(); // 浪費 — 直接借用就好
    cloned.len()
}

使用 Cow 實現靈活的所有權

use std::borrow::Cow;

fn normalize(input: &str) -> Cow<'_, str> {
    if input.contains(' ') {
        Cow::Owned(input.replace(' ', "_"))
    } else {
        Cow::Borrowed(input) // 不需要變更時零成本
    }
}

錯誤處理

使用 Result 與 ? — 生產環境中絕不使用 unwrap()

// 良好：附帶上下文傳播錯誤
use anyhow::{Context, Result};

fn load_config(path: &str) -> Result<Config> {
    let content = std::fs::read_to_string(path)
        .with_context(|| format!("讀取設定檔 {path} 失敗"))?;
    let config: Config = toml::from_str(&content)
        .with_context(|| format!("解析設定檔 {path} 失敗"))?;
    Ok(config)
}

// 不良：發生錯誤時恐慌（panic）
fn load_config_bad(path: &str) -> Config {
    let content = std::fs::read_to_string(path).unwrap(); // 恐慌！
    toml::from_str(&content).unwrap()
}

函式庫使用 thiserror，應用程式使用 anyhow 處理錯誤

// 函式庫程式碼：結構化、型別化的錯誤
use thiserror::Error;

#[derive(Debug, Error)]
pub enum StorageError {
    #[error("找不到記錄: {id}")]
    NotFound { id: String },
    #[error("連線失敗")]
    Connection(#[from] std::io::Error),
    #[error("資料無效: {0}")]
    InvalidData(String),
}

// 應用程式程式碼：靈活的錯誤處理
use anyhow::{bail, Result};

fn run() -> Result<()> {
    let config = load_config("app.toml")?;
    if config.workers == 0 {
        bail!("worker 數量必須大於 0");
    }
    Ok(())
}

使用 Option 組合子而非巢狀匹配

// 良好：組合子鏈
fn find_user_email(users: &[User], id: u64) -> Option<String> {
    users.iter()
        .find(|u| u.id == id)
        .map(|u| u.email.clone())
}

// 不良：深層巢狀匹配
fn find_user_email_bad(users: &[User], id: u64) -> Option<String> {
    match users.iter().find(|u| u.id == id) {
        Some(user) => match &user.email {
            email => Some(email.clone()),
        },
        None => None,
    }
}

枚舉與模式匹配

將狀態建模為枚舉

// 良好：不可能狀態無法表示
enum ConnectionState {
    Disconnected,
    Connecting { attempt: u32 },
    Connected { session_id: String },
    Failed { reason: String, retries: u32 },
}

fn handle(state: &ConnectionState) {
    match state {
        ConnectionState::Disconnected => connect(),
        ConnectionState::Connecting { attempt } if *attempt > 3 => abort(),
        ConnectionState::Connecting { .. } => wait(),
        ConnectionState::Connected { session_id } => use_session(session_id),
        ConnectionState::Failed { retries, .. } if *retries < 5 => retry(),
        ConnectionState::Failed { reason, .. } => log_failure(reason),
    }
}

窮舉匹配 — 商業邏輯中不使用通配符

// 良好：明確處理每個變體
match command {
    Command::Start => start_service(),
    Command::Stop => stop_service(),
    Command::Restart => restart_service(),
    // 新增變體時會在此強制處理
}

// 不良：萬用字元隱藏了新的變體
match command {
    Command::Start => start_service(),
    _ => {} // 默默地忽略了 Stop、Restart 和未來的變體
}

Traits 與泛型

接受泛型，傳回具體型別

// 良好：泛型輸入，具體輸出
fn read_all(reader: &mut impl Read) -> std::io::Result<Vec<u8>> {
    let mut buf = Vec::new();
    reader.read_to_end(&mut buf)?;
    Ok(buf)
}

// 良好：多重約束的 trait 邊界
fn process<T: Display + Send + 'static>(item: T) -> String {
    format!("處理完畢: {item}")
}

用於動態分派的 Trait 物件

// 當需要異質集合或外掛系統時使用
trait Handler: Send + Sync {
    fn handle(&self, request: &Request) -> Response;
}

struct Router {
    handlers: Vec<Box<dyn Handler>>,
}

// 需要效能時使用泛型（單態化）
fn fast_process<H: Handler>(handler: &H, request: &Request) -> Response {
    handler.handle(request)
}

用於型別安全的新類型模式

// 良好：不同的型別防止參數混用
struct UserId(u64);
struct OrderId(u64);

fn get_order(user: UserId, order: OrderId) -> Result<Order> {
    // 不可能意外交換 user 和 order 的 ID
    todo!()
}

// 不良：容易交換參數
fn get_order_bad(user_id: u64, order_id: u64) -> Result<Order> {
    todo!()
}

結構體與資料建模

用於複雜建構的 Builder 模式

struct ServerConfig {
    host: String,
    port: u16,
    max_connections: usize,
}

impl ServerConfig {
    fn builder(host: impl Into<String>, port: u16) -> ServerConfigBuilder {
        ServerConfigBuilder { host: host.into(), port, max_connections: 100 }
    }
}

struct ServerConfigBuilder { host: String, port: u16, max_connections: usize }

impl ServerConfigBuilder {
    fn max_connections(mut self, n: usize) -> Self { self.max_connections = n; self }
    fn build(self) -> ServerConfig {
        ServerConfig { host: self.host, port: self.port, max_connections: self.max_connections }
    }
}

// 用法：ServerConfig::builder("localhost", 8080).max_connections(200).build()

迭代器與閉包

優先使用迭代器鏈而非手動迴圈

// 良好：宣告式、惰性、可組合
let active_emails: Vec<String> = users.iter()
    .filter(|u| u.is_active)
    .map(|u| u.email.clone())
    .collect();

// 不良：命令式累積
let mut active_emails = Vec::new();
for user in &users {
    if user.is_active {
        active_emails.push(user.email.clone());
    }
}

使用帶型別註解的 collect()

// 收集到不同型別
let names: Vec<_> = items.iter().map(|i| &i.name).collect();
let lookup: HashMap<_, _> = items.iter().map(|i| (i.id, i)).collect();
let combined: String = parts.iter().copied().collect();

// 收集 Results — 遇到第一個錯誤時短路
let parsed: Result<Vec<i32>, _> = strings.iter().map(|s| s.parse()).collect();

並發

使用 Arc<Mutex<T>> 進行共享可變狀態

use std::sync::{Arc, Mutex};

let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let handles: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let counter = Arc::clone(&counter);
    std::thread::spawn(move || {
        let mut num = counter.lock().expect("mutex 已中毒");
        *num += 1;
    })
}).collect();

for handle in handles {
    handle.join().expect("工作執行緒恐慌");
}

使用通道進行訊息傳遞

use std::sync::mpsc;

let (tx, rx) = mpsc::sync_channel(16); // 有界通道，具備背壓機制

for i in 0..5 {
    let tx = tx.clone();
    std::thread::spawn(move || {
        tx.send(format!("訊息 {i}")).expect("接收端已斷線");
    });
}
drop(tx); // 關閉發送端，讓 rx 迭代器終止

for msg in rx {
    println!("{msg}");
}

使用 Tokio 進行非同步

use tokio::time::Duration;

async fn fetch_with_timeout(url: &str) -> Result<String> {
    let response = tokio::time::timeout(
        Duration::from_secs(5),
        reqwest::get(url),
    )
    .await
    .context("請求超時")?
    .context("請求失敗")?;

    response.text().await.context("讀取回應主體失敗")
}

// 生成並發任務
async fn fetch_all(urls: Vec<String>) -> Vec<Result<String>> {
    let handles: Vec<_> = urls.into_iter()
        .map(|url| tokio::spawn(async move {
            fetch_with_timeout(&url).await
        }))
        .collect();

    let mut results = Vec::with_capacity(handles.len());
    for handle in handles {
        results.push(handle.await.unwrap_or_else(|e| panic!("產生的任務恐慌: {e}")));
    }
    results
}

不安全程式碼

何時可以接受 Unsafe

// 可接受：帶有已記錄不變量的 FFI 邊界 (Rust 2024+)
/// # 安全性
/// `ptr` 必須是一個有效、對齊的指標，指向一個已初始化的 `Widget`。
unsafe fn widget_from_raw<'a>(ptr: *const Widget) -> &'a Widget {
    // SAFETY: 呼叫者保證 ptr 有效且對齊
    unsafe { &*ptr }
}

// 可接受：具有正確性證明的效能關鍵路徑
// SAFETY: 由於迴圈邊界限制，index 始終小於 len
unsafe { slice.get_unchecked(index) }

何時不可接受 Unsafe

// 不良：使用 unsafe 繞過借用檢查器
// 不良：為了方便而使用 unsafe
// 不良：使用 unsafe 但沒有安全性註解
// 不良：在不同型別之間進行 transmute

模組系統與 Crate 結構

按領域而非型別組織

my_app/
├── src/
│   ├── main.rs
│   ├── lib.rs
│   ├── auth/          # 領域模組
│   │   ├── mod.rs
│   │   ├── token.rs
│   │   └── middleware.rs
│   ├── orders/        # 領域模組
│   │   ├── mod.rs
│   │   ├── model.rs
│   │   └── service.rs
│   └── db/            # 基礎設施
│       ├── mod.rs
│       └── pool.rs
├── tests/             # 整合測試
├── benches/           # 基準測試
└── Cargo.toml

可見性 — 最小暴露

// 良好：使用 pub(crate) 進行內部共享
pub(crate) fn validate_input(input: &str) -> bool {
    !input.is_empty()
}

// 良好：從 lib.rs 重新匯出公開 API
pub mod auth;
pub use auth::AuthMiddleware;

// 不良：將所有東西都設為 pub
pub fn internal_helper() {} // 應使用 pub(crate) 或設為私有

工具整合

必要指令

# 建置與檢查
cargo build
cargo check              # 快速型別檢查（不含程式碼生成）
cargo clippy             # 提示與建議
cargo fmt                # 格式化程式碼

# 測試
cargo test
cargo test -- --nocapture    # 顯示 println 輸出
cargo test --lib             # 僅單元測試
cargo test --test integration # 僅整合測試

# 相依性
cargo audit              # 安全性稽核
cargo tree               # 相依性樹狀圖
cargo update             # 更新相依套件

# 效能
cargo bench              # 執行基準測試

快速參考：Rust 慣用語

慣用語	描述
借用，不要複製	除非需要所有權，否則傳遞 &T 而非複製
使非法狀態無法表示	使用枚舉僅建模有效狀態
? 而非 unwrap()	傳播錯誤，切勿在函式庫/生產程式碼中恐慌
解析，不要驗證	在邊界處將非結構化資料轉換為型別化結構體
新類型確保型別安全	將基本型別包裝在新類型中以防止參數交換
優先使用迭代器而非迴圈	宣告式鏈更清晰，且通常更快
在 Result 上使用 #[must_use]	確保呼叫者處理回傳值
使用 Cow 實現靈活所有權	當借用足夠時避免分配
窮舉匹配	對於商業關鍵的枚舉不使用萬用字元 _
最小 pub 介面	對內部 API 使用 pub(crate)

應避免的反模式

// 不良：在生產程式碼中使用 .unwrap()
let value = map.get("key").unwrap();

// 不良：使用 .clone() 繞過借用檢查器而不理解原因
let data = expensive_data.clone();
process(&original, &data);

// 不良：在 &str 足夠時使用 String
fn greet(name: String) { /* 應為 &str */ }

// 不良：在函式庫中使用 Box<dyn Error>（應使用 thiserror）
fn parse(input: &str) -> Result<Data, Box<dyn std::error::Error>> { todo!() }

// 不良：忽略 must_use 警告
let _ = validate(input); // 默默地拋棄 Result

// 不良：在非同步環境中阻塞
async fn bad_async() {
    std::thread::sleep(Duration::from_secs(1)); // 阻塞執行器！
    // 請使用：tokio::time::sleep(Duration::from_secs(1)).await;
}

請記住：如果編譯通過，它很可能是正確的——但前提是你避免使用 unwrap()、盡量減少 unsafe，並讓型別系統為你工作。