Die Programmiersprache Rust

Kontrollfluss

Die Fähigkeit, Code auszuführen, der davon abhängt, ob eine Bedingung true ist, oder Code wiederholt auszuführen, während eine Bedingung true ist, sind grundlegende Bausteine der meisten Programmiersprachen. Die gebräuchlichsten Konstrukte, mit denen du den Kontrollfluss von Rust-Code kontrollieren kannst, sind if-Ausdrücke und Schleifen.

if-Ausdrücke

Ein if-Ausdruck erlaubt es dir, deinen Code abhängig von Bedingungen zu verzweigen. Du gibst eine Bedingung an und legst dann fest: „Wenn diese Bedingung erfüllt ist, führe diesen Codeblock aus. Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist, darf dieser Codeblock nicht ausgeführt werden.“

Erstelle in deinem projects-Verzeichnis ein neues Projekt namens branches, um den if-Ausdruck zu erforschen. Gibt in der Datei src/main.rs folgendes ein:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number = 3;

    if number < 5 {
        println!("Bedingung war wahr");
    } else {
        println!("Bedingung war falsch");
    }
}

Alle if-Ausdrücke beginnen mit dem Schlüsselwort if, gefolgt von einer Bedingung. In diesem Fall prüft die Bedingung, ob die Variable number einen Wert kleiner als 5 hat oder nicht. Der Codeblock, den wir ausführen wollen, wenn die Bedingung true ist, wird unmittelbar nach der Bedingung in geschweifte Klammern gesetzt. Codeblöcke, die mit den Bedingungen in if-Ausdrücken verbunden sind, werden manchmal auch als Zweige (arms) bezeichnet, genau wie die Zweige in match-Ausdrücken, die wir im Abschnitt „Vergleichen der Schätzung mit der Geheimzahl“ in Kapitel 2 besprochen haben.

Optional können wir auch einen else-Ausdruck angeben, was wir hier gemacht haben, um dem Programm einen alternativen Codeblock zur Ausführung zu geben, falls die Bedingung zu false ausgewertet wird. Wenn du keinen else-Ausdruck angibst und die Bedingung false ist, überspringt das Programm einfach den if-Block und geht zum nächsten Codeteil über.

Versuche, diesen Code auszuführen; du solltest die folgende Ausgabe sehen:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.31s
     Running `target/debug/branches`
Bedingung war wahr

Lass uns versuchen, den Wert von number in einen Wert zu ändern, der die Bedingung falsch macht, um zu sehen, was passiert:

fn main() {
    let number = 7;

    if number < 5 {
        println!("Bedingung war wahr");
    } else {
        println!("Bedingung war falsch");
    }
}

Führe das Programm erneut aus und sieh dir die Ausgabe an:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.31s
     Running `target/debug/branches`
Bedingung war falsch

Es ist auch erwähnenswert, dass die Bedingung in diesem Code ein bool sein muss. Wenn die Bedingung kein bool ist, erhalten wir einen Fehler. Versuche zum Beispiel, den folgenden Code auszuführen:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number = 3;

    if number {
        println!("Zahl war drei");
    }
}

Die if-Bedingung wird diesmal zum Wert 3 ausgewertet und Rust wirft einen Fehler:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:4:8
  |
4 |     if number {
  |        ^^^^^^ expected `bool`, found integer

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `branches` (bin "branches") due to 1 previous error

Der Fehler gibt an, dass Rust ein bool erwartet, aber eine ganze Zahl erhalten hat. Im Gegensatz zu Sprachen wie Ruby und JavaScript wird Rust nicht automatisch versuchen, nicht-boolsche Typen in ein Boolean zu konvertieren. Du musst explizit sein und immer if mit einer Booleschen Bedingung versehen. Wenn wir beispielsweise wollen, dass der if-Codeblock nur ausgeführt wird, wenn eine Zahl ungleich 0 ist, können wir den if-Ausdruck wie folgt ändern:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number = 3;

    if number != 0 {
        println!("Zahl war etwas anderes als Null");
    }
}

Wenn du diesen Code ausführst, wird Zahl war etwas anderes als Null ausgegeben.

Behandeln mehrerer Bedingungen mit else if

Du kannst mehrere Bedingungen verwenden, indem du if und else in einem else if-Ausdruck kombinierst. Zum Beispiel:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number = 6;

    if number % 4 == 0 {
        println!("Zahl ist durch 4 teilbar");
    } else if number % 3 == 0 {
        println!("Zahl ist durch 3 teilbar");
    } else if number % 2 == 0 {
        println!("Zahl ist durch 2 teilbar");
    } else {
        println!("Zahl ist nicht durch 4, 3 oder 2 teilbar");
    }
}

Dieses Programm hat vier mögliche Wege, die es nehmen kann. Nachdem du es ausgeführt hast, solltest du folgende Ausgabe sehen:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.31s
     Running `target/debug/branches`
Zahl ist durch 3 teilbar

Wenn dieses Programm ausgeführt wird, prüft es der Reihe nach jeden if-Ausdruck und führt den ersten Block aus, für den die Bedingung zu true ausgewertet wird. Beachte, dass, obwohl 6 durch 2 teilbar ist, wir weder die Ausgabe Zahl ist durch 2 teilbar sehen, noch sehen wir den Text Zahl ist nicht durch 4, 3 oder 2 teilbar aus dem else-Block. Das liegt daran, dass Rust den Block nur für die erste true-Bedingung ausführt, und wenn es eine findet, prüft es den Rest nicht mehr.

Das Verwenden von zu vielen else if-Ausdrücken kann deinen Code unübersichtlich machen. Wenn du also mehr als einen Ausdruck hast, solltest du deinen Code vielleicht überarbeiten. Kapitel 6 beschreibt ein leistungsfähiges Rust-Verzweigungskonstrukt namens match für solche Fälle.

Verwenden von if in einer let-Anweisung

Weil if ein Ausdruck ist, können wir ihn auf der rechten Seite einer let-Anweisung verwenden, um das Ergebnis einer Variablen zuzuordnen, wie in Codeblock 3-2.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let condition = true;
    let number = if condition { 5 } else { 6 };

    println!("Der Wert der Zahl ist: {number}");
}

Codeblock 3-2: Zuweisen des Ergebnisses eines if-Ausdrucks an eine Variable

Die Variable number wird an einen Wert gebunden, der auf dem Ergebnis des if-Ausdrucks basiert. Führe diesen Code aus, um zu sehen, was passiert:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.30s
     Running `target/debug/branches`
Der Wert der Zahl ist: 5

Denke daran, dass Codeblöcke bis zum letzten Ausdruck in ihnen ausgewertet werden, und auch Zahlen an sich sind Ausdrücke. In diesem Fall hängt der Wert des gesamten if-Ausdrucks davon ab, welcher Codeblock ausgeführt wird. Dies bedeutet, dass die Werte, die potentielle Ergebnisse eines if-Zweigs sein können, vom gleichen Typ sein müssen; in Codeblock 3-2 waren die Ergebnisse sowohl des if-Zweigs als auch des else-Zweigs i32-Ganzzahlen. Wenn die Typen nicht übereinstimmen, wie im folgenden Beispiel, erhalten wir einen Fehler:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let condition = true;

    let number = if condition { 5 } else { "sechs" };

    println!("Der Wert der Zahl ist: {number}");
}

Wenn wir versuchen, diesen Code zu kompilieren, erhalten wir einen Fehler. Die if- und else-Zweige haben Werttypen, die inkompatibel sind, und Rust zeigt genau an, wo das Problem im Programm zu finden ist:

$ cargo run
   Compiling branches v0.1.0 (file:///projects/branches)
error[E0308]: `if` and `else` have incompatible types
 --> src/main.rs:4:44
  |
4 |     let number = if condition { 5 } else { "sechs" };
  |                                 -          ^^^^^^^ expected integer, found `&str`
  |                                 |
  |                                 expected because of this

For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `branches` (bin "branches") due to 1 previous error

Der Ausdruck im if-Block wird zu einer ganzen Zahl und der Ausdruck im else-Block zu einer Zeichenkette ausgewertet. Dies wird nicht funktionieren, da Variablen einen einzigen Typ haben müssen. Rust muss zur Kompilierzeit definitiv wissen, welchen Typ die Variable number hat, damit es zur Kompilierzeit überprüfen kann, ob ihr Typ überall gültig ist, wo wir number verwenden. Rust wäre dazu nicht in der Lage, wenn der Typ von number erst zur Laufzeit bestimmt würde; der Compiler wäre komplexer und würde weniger Garantien über den Code geben, wenn er mehrere hypothetische Typen für jede Variable verfolgen müsste.

Wiederholung mit Schleifen

Es ist oft hilfreich, einen Codeblock mehr als einmal auszuführen. Für diese Aufgabe stellt Rust mehrere Schleifen (loops) zur Verfügung, die den Code innerhalb des Schleifenrumpfs bis zum Ende durchläuft und dann sofort wieder am Anfang beginnt. Um mit Schleifen zu experimentieren, machen wir ein neues Projekt namens loops.

Rust hat drei Arten von Schleifen: loop, while und for. Probieren wir jede einzelne aus.

Wiederholen von Code mit loop

Das Schlüsselwort loop weist Rust an, einen Codeblock immer und immer wieder auszuführen, und zwar für immer oder bis du ihm explizit sagst, dass er aufhören soll.

Als Beispiel änderst du die Datei src/main.rs in deinem loops-Verzeichnis so, dass sie wie folgt aussieht:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    loop {
        println!("nochmal!");
    }
}

Wenn wir dieses Programm ausführen, werden wir sehen, dass es immer und immer wieder nochmal! ausgibt, bis wir das Programm manuell stoppen. Die meisten Terminals unterstützen das Tastaturkürzel Strg+c, um ein Programm zu unterbrechen, das in einer Endlosschleife feststeckt. Probiere es aus:

$ cargo run
   Compiling loops v0.1.0 (file:///projects/loops)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.29s
     Running `target/debug/loops`
nochmal!
nochmal!
nochmal!
nochmal!
^Cnochmal!

Das Symbol ^C steht für die Stelle, an der du Strg+c gedrückt hast. Je nachdem, wo sich der Code in der Schleife befand, als er das Unterbrechungssignal empfing, siehst du nach dem ^C das Wort nochmal! oder nicht.

Glücklicherweise bietet Rust auch eine Möglichkeit, aus einer Schleife mittels Code auszubrechen. Du kannst das Schlüsselwort break innerhalb der Schleife platzieren, um dem Programm mitzuteilen, wann es die Ausführung der Schleife beenden soll. Erinnere dich, dass wir dies im Ratespiel im Abschnitt „Beenden nach einer korrekten Schätzung“ in Kapitel 2 getan haben, um das Programm zu beenden, wenn der Benutzer das Spiel durch Erraten der richtigen Zahl gewonnen hat.

Wir haben im Ratespiel auch continue verwendet, das innerhalb einer Schleife das Programm anweist, jeden restlichen Code in dieser Iteration der Schleife zu überspringen und mit der nächsten Iteration fortzufahren.

Rückgabe von Werten aus Schleifen

Eine der Verwendungen von loop besteht darin, eine Operation, von der du weißt, dass sie fehlschlagen könnte, erneut zu versuchen, z.B. um zu prüfen, ob ein Strang (thread) seine Arbeit abgeschlossen hat. Möglicherweise musst du jedoch das Ergebnis dieser Operation aus der Schleife heraus an den Rest deines Codes weitergeben. Dazu kannst du den Wert, der zurückgegeben werden soll, hinter dem break-Ausdruck angeben, den du zum Beenden der Schleife verwendest; dieser Wert wird aus der Schleife zurückgegeben, sodass du ihn verwenden kannst, wie hier gezeigt:

fn main() {
    let mut counter = 0;

    let result = loop {
        counter += 1;

        if counter == 10 {
            break counter * 2;
        }
    };

    println!("Das Ergebnis ist {result}");
}

Vor der Schleife deklarieren wir eine Variable namens counter und initialisieren sie mit 0. Dann deklarieren wir eine Variable namens result, die den von der Schleife zurückgegebenen Wert enthält. Bei jeder Iteration der Schleife addieren wir 1 zur Variable counter und prüfen dann, ob der Zähler in counter gleich 10 ist. Wenn dies der Fall ist, verwenden wir das Schlüsselwort break mit dem Wert counter * 2. Nach der Schleife verwenden wir ein Semikolon, um die Anweisung zu beenden, die result den Wert zuweist. Schließlich geben wir den Wert in result aus, der in diesem Fall 20 beträgt.

Du kannst auch innerhalb einer Schleife return aufrufen. Während break nur die aktuelle Schleife verlässt, verlässt return immer die aktuelle Funktion.

Schleifenlabel zur eindeutigen Unterscheidung mehrerer Schleifen

Wenn du Schleifen innerhalb von Schleifen hast, gelten break und continue für die innerste Schleife an diesem Punkt. Du kannst optional ein Schleifenlabel (loop label) für eine Schleife angeben, das wir dann mit break oder continue verwenden können, um festzulegen, dass diese Schlüsselwörter für die gekennzeichnete Schleife gelten und nicht für die innerste Schleife. Schleifenlabel müssen mit einem einfachen Anführungszeichen beginnen. Hier ist ein Beispiel mit zwei verschachtelten Schleifen:

fn main() {
    let mut count = 0;
    'counting_up: loop {
        println!("Zähler = {count}");
        let mut remaining = 10;

        loop {
            println!("Restliche = {remaining}");
            if remaining == 9 {
                break;
            }
            if count == 2 {
                break 'counting_up;
            }
            remaining -= 1;
        }

        count += 1;
    }
    println!("Zähler-Endstand = {count}");
}

Die äußere Schleife hat das Label 'counting_up und zählt von 0 bis 2 aufwärts. Die innere Schleife ohne Label zählt von 10 bis 9 herunter. Das erste break, das kein Label angibt, beendet nur die innere Schleife. Mit der Anweisung break 'counting_up; wird die äußere Schleife verlassen. Dieser Code gibt folgendes aus:

$ cargo run
   Compiling loops v0.1.0 (file:///projects/loops)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.58s
     Running `target/debug/loops`
Zähler = 0
Restliche = 10
Restliche = 9
Zähler = 1
Restliche = 10
Restliche = 9
Zähler = 2
Restliche = 10
Zähler-Endstand = 2

Bedingte Schleifen mit while

Ein Programm wird oft eine Bedingung innerhalb einer Schleife auszuwerten haben. Solange die Bedingung true ist, wird die Schleife durchlaufen. Wenn die Bedingung nicht mehr true ist, ruft das Programm break auf und stoppt die Schleife. Es ist möglich, derartiges Verhalten mittels einer Kombination von loop, if, else und break zu implementieren; du kannst das jetzt in einem Programm versuchen, wenn du möchtest. Dieses Muster ist jedoch so weit verbreitet, dass Rust ein eingebautes Sprachkonstrukt dafür hat, die sogenannte while-Schleife. In Codeblock 3-3 wird while verwendet: Das Programm durchläuft dreimal eine Schleife, in der es jedes Mal abwärts zählt, und dann nach dem Ende der Schleife eine weitere Nachricht ausgibt und sich beendet.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let mut number = 3;

    while number != 0 {
        println!("{number}!");

        number -= 1;
    }

    println!("ABHEBEN!!!");
}

Codeblock 3-3: Verwenden einer while-Schleife, um Code auszuführen, solange eine Bedingung wahr ist

Dieses Konstrukt eliminiert eine Menge von Verschachtelungen, die notwendig wären, wenn du loop, if, else und break verwenden würdest, und es ist klarer. Solange eine Bedingung zu true auswertet, läuft der Code ab; andernfalls wird die Schleife verlassen.

Durchlaufen einer Kollektion mit for

Du kannst das while-Konstrukt verwenden, um die Elemente einer Kollektion, z.B. ein Array, in einer Schleife zu durchlaufen. Die Schleife in Codeblock 3-4 gibt zum Beispiel jedes Element im Array a aus.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let a = [10, 20, 30, 40, 50];
    let mut index = 0;

    while index < 5 {
        println!("Der Wert ist: {}", a[index]);

        index += 1;
    }
}

Codeblock 3-4: Wiederholen anhand aller Elemente einer Kollektion unter Verwendung einer while-Schleife

Hier zählt der Code die Elemente im Array aufwärts. Er beginnt bei Index 0 und wiederholt bis er den letzten Index im Array erreicht (d.h. wenn index < 5 nicht mehr true ist). Wenn du diesen Code ausführst, wird jedes Element im Array ausgegeben:

$ cargo run
   Compiling loops v0.1.0 (file:///projects/loops)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.32s
     Running `target/debug/loops`
Der Wert ist: 10
Der Wert ist: 20
Der Wert ist: 30
Der Wert ist: 40
Der Wert ist: 50

Alle fünf Array-Werte erscheinen erwartungsgemäß im Terminal. Wenn index den Wert 5 erreicht hat, stoppt die Schleife ihre Ausführung, bevor sie versucht, einen sechsten Wert aus dem Array zu holen.

Aber dieser Ansatz ist fehleranfällig; wir könnten das Programm zum Abstürzen bringen, wenn der Indexwert oder die Testbedingung falsch ist. Wenn du zum Beispiel die Definition des Arrays a so änderst, dass es vier Elemente hat, aber vergisst, die Bedingung while index < 4 zu aktualisieren, würde der Code abstürzen. Er ist zudem langsam, weil der Compiler Laufzeitcode erzeugt, der die Bedingungsprüfung, ob der Index innerhalb der Arraygrenzen liegt, bei jeder Schleifeniteration durchführt.

Als prägnantere Alternative kannst du eine for-Schleife verwenden und für jedes Element einer Kollektion etwas Code ausführen. Eine for-Schleife sieht wie der Code in Codeblock 3-5 aus.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let a = [10, 20, 30, 40, 50];

    for element in a {
        println!("Der Wert ist: {element}");
    }
}

Codeblock 3-5: Wiederholen anhand aller Elemente einer Kollektion unter Verwendung einer for-Schleife

Wenn wir diesen Code ausführen, werden wir die gleiche Ausgabe wie in Codeblock 3-4 sehen. Noch wichtiger ist, dass wir jetzt die Sicherheit des Codes erhöht und die Möglichkeit von Fehlern eliminiert haben, die dadurch entstehen könnten, dass wir über das Ende des Arrays hinausgehen oder nicht weit genug gehen und einige Elemente übersehen.

Wenn du die for-Schleife verwendest, brauchst du nicht daran zu denken, irgendeinen anderen Code zu ändern, wenn du die Anzahl der Werte im Array änderst, wie bei der Methode in Codeblock 3-4 verwendet.

Die Sicherheit und Prägnanz der for-Schleifen machen sie zum am häufigsten verwendeten Schleifenkonstrukt in Rust. Sogar in Situationen, in denen du einen Code bestimmt oft laufen lassen willst, wie im Countdown-Beispiel, das in Codeblock 3-3 eine while-Schleife verwendet hat, würden die meisten Rust-Entwickler eine for-Schleife verwenden. Der Weg, dies zu erreichen, wäre das Verwenden eines Range, der von der Standardbibliothek zur Verfügung gestellt wird und alle Zahlen in Folge generiert, beginnend mit einer Zahl und endend vor einer anderen Zahl.

So würde der Countdown aussehen, wenn man eine for-Schleife und die Methode rev, über die wir noch nicht gesprochen haben und die den Range umkehrt, verwenden würde:

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    for number in (1..4).rev() {
        println!("{number}!");
    }
    println!("ABHEBEN!!!");
}

Dieser Code ist ein bisschen schöner, nicht wahr?

Zusammenfassung

Du hast es geschafft! Das war ein beachtliches Kapitel: Du lerntest etwas über Variablen, Skalare und zusammengesetzte Datentypen, Funktionen, Kommentare, if-Ausdrücke und Schleifen! Um mit den in diesem Kapitel besprochenen Konzepten zu üben, versuche, Programme zu bauen, um Folgendes zu tun:

• Temperaturen zwischen Fahrenheit und Celsius umrechnen.
• Die n-te Fibonacci-Zahl berechnen.
• Den Text des Weihnachtsliedes „Die Zwölf Weihnachtstage“ (The Twelve Days of Christmas) ausgeben und dabei die Wiederholung im Lied nutzen.

Wenn du bereit bist, weiterzumachen, werden wir in Rust über ein Konzept sprechen, das es in anderen Programmiersprachen üblicherweise nicht gibt: Eigentümerschaft (ownership).