RUST 学习日记 第8课 ——类型转换
0x00 回顾
上一节讲解了字面量和常见一些运算符，还记得上节课最后留了一个练习题吗。
小明有5块钱，小红有3块5，小明和小红总共有多少钱呢？
你们成功运行出结果了吗，这节咱们介绍下Rust的类型转换。
0x01 类型转换（Type Cast）
与其它语言不同，在Rust中，整数和浮点数不能再一起做运算。先看下示例：
let o = 5;
let p = 3.5;
dbg!(o + p);
上面代码的输出结果是什么呢？如果你有C，Java等语言基础，那么你肯定会说上面的结果是8.5。但是在Rust中编译器会报错，如下图所示。
image
cannot add a float to an integer，不能把浮点数加到整数上。在Rust中不会帮你隐式的转换格式。
0x02 类型转换表达式（Type Cast Expressions）
语法
类型转换表达式 :
ExpressionasTypeNoBounds
类型转换使用as操作符来表示。它可以将as左边的类型强制转换为右边的类型。示例如下：
let o = 5;
let q = o as f64;
dbg!(q);
代码执行结果：
[src\main.rs:13] q = 5.0
不可变变量o默认的类型是i32，将其强制转换为f64的类型复制给不可变变量q，结果变为了5.0，类型变为f64浮点型。
0x03 旧题重解
咱们得知as可以类型转换，那么题目的答案就显而易见了。
// 先将 o 转为 f64类型，再做加法
dbg!(o as f64 + p);
代码执行结果：
[src\main.rs:16] o as f64 + p = 8.5
现在的程序就不会报错了，结果也计算出来了。
0x04 类型转换规则（Coercion Rule）
as可以被用于显示的强制类型转换。在数值进行强制转换时可能会存在精度问题。这里我再介绍下数值间强制转换的一些注意事项。
1、在两个相同长度大小的整数间进行有无符号强制转换，请注意符号位和整数范围。例如：u8 -> i8
下面是扩展知识。要理解这条规则，需要先明白在计算机中是如何存储数值的。
在计算机中存在有符号和无符号数两种数值，有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位，三种表示方法各不相同。在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；同时，加法和减法也可以统一处理。
上面提到了有符号数3个概念，原码，反码，补码。下面以+1和-1为例，简单解释下这三个概念，以8位整数类型为例。有符号数的最高位是符号位，0表示正数，1表示负数，因此+1的原码就是0000 0001，-1的原码就是1000 0001。对于正数来说，其原码，反码，补码都相同。负数的反码，则是对除符号位的每一位都取反（有关取反操作上节已经介绍了）。那么-1的反码就是1111 1110。补码就是在反码的基础上再加1。-1的补码就是1111 1111。如果反码在加1操作后，8位变为了9位，则将会舍弃最高位。
Rust强转的示例代码如下：
let a: i8 = 1;
let b: i8 = -1;
println!("[有符号数] {} 转为[无符号数]: {}, 转换后的二进制为 {:08b}", a, a as u8, a as u8);
println!("[有符号数] {} 转为[无符号数]: {}, 转换后的二进制为 {:08b}", b, b as u8, b as u8);
let a: u8 = 1;
let b: u8 = 255;
println!("[无符号数] {} 转为[有符号数]: {}, 转换后的二进制为 {:08b}", a, a as i8, a as i8);
println!("[无符号数] {} 转为[有符号数]: {}, 转换后的二进制为 {:08b}", b, b as i8, b as i8);
代码执行结果：
[有符号数] 1 转为[无符号数]: 1, 转换后的二进制为 00000001
[有符号数] -1 转为[无符号数]: 255, 转换后的二进制为 11111111
[无符号数] 1 转为[有符号数]: 1, 转换后的二进制为 00000001
[无符号数] 255 转为[有符号数]: -1, 转换后的二进制为 11111111
2、较长位数的整数转换为较短位数的整数时会发生截断。例如：i16 -> i8
将16位整数300转为8位整数会发生什么？计算机会将300的二进制高位舍弃，只保留低位，这就是截断，会发生精度损失。示例如下：
let a: i16 = 300;
println!("{} 的 二进制为：{:016b}", a, a);
// 发生数据截断，保留了低位，截断了高位
println!("16位整数 {} 转为 8位整数：{}，其二进制为： {:016b}", a, a as i8, a as i8);
代码执行结果:
300 的 二进制为：0000000100101100
16位整数 300 转为 8位整数：44，其二进制为： 0000000000101100
3、较短位数的整数转换为较长位数的整数时会有下面两种情况。例如：i8 -> i16
- 如果该值是无符号数，则高位使用
0填充 - 如果该值是有符号数，则高位使用符号数填充
示例代码：
let a: u8 = 45;
// a 是8位整数，但是输出时的格式我加了0填充，可以忽略前8位的显示
println!("8位无符号整数 {} 的 二进制为：{:016b}", a, a);
println!("8位无符号整数 {} 的 转为16位整数的二进制为：{:016b}", a, a as u16);
let b: i8 = -121;
// b 是8位整数，但是输出时的格式我加了0填充，可以忽略前8位的显示
println!("8位有符号整数 {} 的 二进制为：{:016b}", b, b);
println!("8位有符号整数 {} 的 转为16位整数的二进制为：{:016b}", a, b as i16);
代码执行结果：
8位无符号整数 45 的 二进制为：0000000000101101
8位无符号整数 45 的 转为16位整数的二进制为：0000000000101101
8位有符号整数 -121 的 二进制为：0000000010000111
8位有符号整数 45 的 转为16位整数的二进制为：1111111110000111
4、浮点数转换为整数时，将会直接舍弃小数位，保留整数部分。另外还有下面3点要注意：
- 如果浮点数是
NAN，转为整数时将会返回0 - 如果当前的浮点数值大于所转换的整数类型的最大值，则将返回该整数类型的最大值
- 如果当前的浮点数值小于所转换的整数类型的最大值，则将返回该整数类型的最小值
示例代码：
// NAN 相当于 0.0 / 0.0
let a: f64 = f64::NAN;
// 正无穷大 +∞
let b: f64 = f64::INFINITY;
// 负无穷大 -∞
let c: f64 = f64::NEG_INFINITY;
println!("NAN 转换为整数的值为 {}", a as i32);
println!("+∞ 转换为整数的值为 {}", b as i32);
println!("-∞ 转换为整数的值为 {}", c as i32);
// 其它情况，直接舍弃小数，不会进行四舍五入
let d: f64 = 54.5;
let e: f64 = 65.1;
println!("浮点数 {} 转换为整数 {}", d, d as i32);
println!("浮点数 {} 转换为整数 {}", e, e as i32);
代码执行结果：
NAN 转换为整数的值为 0
+∞ 转换为整数的值为 2147483647
-∞ 转换为整数的值为 -2147483648
浮点数 54.5 转换为整数 54
浮点数 65.1 转换为整数 65
5、整数转换为浮点数时，可能会发生数据浮动。
- 如果发生数据浮动，将遵循
roundTiesToEven模式。（数据round到到相邻最近的浮点数据上。如果两个浮点数据都一样近，则round到最后一位是偶数的浮点数据上） - 如果转换时发生溢出，则将会输出为无穷大（∞）
PS：在数值类型中，溢出仅发生在 u128 as f32的值大于或者等于f32::MAX + (0.5 ULP)时。
示例代码：
let a: i32 = 5;
println!("{} 转为浮点数 {}", a, a as f64);
// 溢出
let b: u128 = u128::MAX;
println!("{} 转为浮点数 {}", b, b as f32);
代码执行结果：
5 转为浮点数 5
340282366920938463463374607431768211455 转为浮点数 inf
6、f32浮点数可以完美无损的转换为f64浮点数。
示例代码：
let a: f32 = 98.0;
println!("f32浮点数 {} 转为 f64浮点数 {}", a, a as f64);
代码执行结果：
f32浮点数 98 转为 f64浮点数 98
7、f32浮点数转换f64浮点数时，可能会发生数据浮动。
- 如果发生数据浮动，将遵循
roundTiesToEven模式。（数据round到到相邻最近的浮点数据上。如果两个浮点数据都一样近，则round到最后一位是偶数的浮点数据上） - 如果转换时发生溢出，则将会输出为无穷大（∞）
示例代码：
// 数据浮动，注意精度
let a: f64 = 9045.213123;
println!("f64浮点数 {} 转为 f32浮点数 {}", a, a as f32);
// 溢出
let b: f64 = f64::MAX;
println!("f64浮点数 {} 转为 f32浮点数 {}", b, b as f32);
代码执行结果：
f64浮点数 9045.213123 转为 f32浮点数 9045.213
f64浮点数 179769313486231570000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 转为 f32浮点数 inf
8、布尔型转为整数型。true转为整数的值是1，false转为整数的值是0。Rust不允许由整数转为布尔型
示例代码：
let a = false;
let b = true;
println!("{} 转为 整数为 {}", a, a as i32);
println!("{} 转为 整数为 {}", b, b as i32);
代码执行结果:
false 转为 整数为 0
true 转为 整数为 1
9、u8类型转换为char类型
-
仅支持
u8型整数转为char类型。 char类型转为整数时，如果整数位数长度不够，则将发生截断，同上面说的第3点
示例代码：
// u8转为char
let a: u8 = 97;
println!("u8型整数 {} 转为 char 为{}", a, a as char);
// char转整数
// 笑脸图标
let b: char = '\u{1F604}';
println!("char型 {} 转为i32的值为:{}, 其二进制为 {:032b}", b, b as i32, b as i32);
println!("char型 {} 转为i16的值为:{}, 其二进制为 {:032b}", b, b as i16, b as i16);
println!("char型 {} 转为i8的值为:{}, 其二进制为 {:032b}", b, b as i8, b as i8);
代码执行结果：
u8型整数 97 转为 char 为a
char型 😄 转为i32的值为:128516, 其二进制为 00000000000000011111011000000100
char型 😄 转为i16的值为:-2556, 其二进制为 00000000000000001111011000000100
char型 😄 转为i8的值为:4, 其二进制为 00000000000000000000000000000100
0x05 小结
我花费一篇文章来讲了Rust中的数值间的类型转换，希望对大家有所帮助。当然as并不是仅可以应用于数值间的强制类型转换，还有如枚举，指针等等。其她类型的转换后续章节将会介绍。写到这里已经达到3000字了，由于篇幅问题，文章中并没有讲浮点数是如何转为二进制存储的，如果有感兴趣的同学可以查阅下资料。
0x06 参考资料
- 浮点数在线转换为二进制 IEEE-754 Floating-Point Conversion from Floating-Point to Hexadecimal (cuny.edu)
- Rust 类型转换官方文档Operator expressions - The Rust Reference (rust-lang.org)
- Unicode所有区段 统一码编码范围 | Unicode符号库 ✏️ (fuhaoku.net)
0x07 本节源码
008 · StudyRust - 码云 - 开源中国 (gitee.com)
下节预告——了解Rust的格式化输出。
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