输入与输出

输入与输出可以说是一个实用程序的最基本要求，没有输入输出的程序是没有什么卵用的。虽然输入输出被函数式编程语言鄙称为副作用，但正是这个副作用才赋予了程序实用性，君不见某著名函数式语言之父称他主导设计的函数式语言"is useless"。这章我们就来谈谈输入输出副作用。

读写 Trait

输入最基本的功能是读(Read)，输出最基本的功能是写(Write)。标准库里面把怎么读和怎么写抽象出来归到了 Read 和 Write 两个接口里面，实现了 Read 接口的叫 reader，而实现了 Write 的叫 writer。Rust里面的 Trait 比其它语言里面的接口更好的一个地方是 Trait 可以带默认实现，比如用户定义的 reader 只需要实现 read 一个方法就可以调用 Read trait 里面的任意其它方法，而 writer 也只需要实现 write 和 flush 两个方法。

Read 和 Write 这两个 Trait 都有定义了好多方法，具体可以参考标准库 API 文档中的Read 和 Write

Read 由于每调用一次 read 方法都会调用一次系统API与内核交互，效率比较低，如果给 reader 增加一个 buffer，在调用时 read 方法时多读一些数据放在 buffer 里面，下次调用 read 方法时就有可能只需要从 buffer 里面取数据而不用调用系统API了，从而减少了系统调用次数提高了读取效率，这就是所谓的 BufRead Trait。一个普通的 reader 通过 io::BufReader::new(reader) 或者 io::BufReader::with_capacity(bufSize, reader) 就可以得到一个 BufReader 了，显然这两个创建 BufReader 的函数一个是使用默认大小的 buffer 一个可以指定 buffer 大小。BufReader 比较常用的两个方法是按行读： read_line(&mut self, buf: &mut String) -> Result<usize> 和 lines(&mut self) -> Lines<Self>，从函数签名上就可以大概猜出函数的用法所以就不啰嗦了，需要注意的是后者返回的是一个迭代器。详细说明直接看 API 文档中的BufRead

同样有 BufWriter 只不过由于其除了底层加了 buffer 之外并没有增加新的写方法，所以并没有专门的 BufWrite Trait，可以通过 io::BufWriter::new(writer) 或 io::BufWriter::with_capacity(bufSize, writer) 创建 BufWriter。

输入与输出接口有了，我们接下来看看实际应用中最常用的两类 reader 和 writer：标准输入/输出，文件输入/输出

标准输入与输出

回顾一下我们写的第一个 Rust 程序就是带副作用的，其副作用就是向标准输出(stdout)，通常是终端或屏幕，输出了 Hello, World! 让屏幕上这几个字符的地方点亮起来。println! 宏是最常见的输出，用宏来做输出的还有 print!，两者都是向标准输出(stdout)输出，两者的区别也一眼就能看出。至于格式化输出，基础运算符和字符串格式化小节有详细说明，这里就不再啰嗦了。

更通用的标准输入与输出定义在 std::io 模块里，调用 std::io::stdin() 和 std::io::stdout() 两个函数分别会得到输入句柄和输出句柄(哎，句柄这个词是计算机史上最莫名其妙的翻译了)，这两个句柄默认会通过互斥锁同步，也就是说不让多个进程同时读或写标准输入输出，不然的话如果一个进程要往标准输出画马，一个进程要画驴，两个进程同时写标准输出的话，最后可能就给画出一头骡子了，如果更多进程画不同的动物最后可能就成四不像了。除了隐式地用互斥锁，我们还可以显式地在句柄上调用 .lock()。输入输出句柄实现了前面讲的读写 Trait，所以是 reader/writer，就可以调接口来读写标准输入与输出了。举几个栗子：

use std::io;

fn read_from_stdin(buf: &mut String) -> io::Result<()> {
    try!(io::stdin().read_line(buf));
    Ok(())
}

use std::io;

fn write_to_stdout(buf: &[u8]) -> io::Result<()> {
    try!(io::stdout().write(&buf));
    Ok(())
}

可以看到上面的例子都是返回了 io::Result<()> 类型，这不是偶然，而是 IO 操作通用的写法，因为 IO 操作是程序与外界打交道，所以都是有可能失败的，用 io::Result<T> 把结果包起来，io::Result<T> 只是标准 Result<T,E> 中 E 固定为 io::Error 后类型的别名，而作为有副作用的操作我们一般是不用关心其返回值的，因为执行这类函数其真正的意义都体现在副作用上面了，所以返回值只是用来表示是否成功执行，而本身 Result 类型本身已经可以表示执行状态了，里面的 T 是什么则无关紧要，既然 T 没什么意义，那我们就选没什么意义的 unit 类型好了，所以 IO 操作基本上都是使用 io::Result<()>。

另外有一个地方需要注意的是由于 IO 操作可能会失败所以一般都是和 try! 宏一起使用的，但是 try! 在遇到错误时会把错误 return 出去的，所以需要保证包含 try! 语句的函数其返回类型是 io::Result<T>，很多新手文档没仔细看就直接查 std api 文档，然后照着 api 文档里面的例子把带 IO 操作的 try! 宏写到了 main 函数里。结果一编译，擦，照着文档写都编译不过，什么烂文档。其实点一下 api 文档上面的运行按钮就会发现文档里面的例子都是把 try! 放在另一个函数里面的，因为 main 函数是没有返回值的，而 try! 会返回 io::Result<T>，所以直接把 try! 放 main 函数里面肯定要跪。比如下面的从标准输入读取一行输入，由于把 try! 放在了 main 函数里，所以是编译不过的。

use std::io;

fn main() {
    let mut input = String::new();
    try!(io::stdin().read_line(&mut input));
    println!("You typed: {}", input.trim());
}

还有一点一些从其它语言转过来的程序猿可能会疑惑的是，如何从命令行接受输入参数，因为 C 里面的 main 函数可以带参数所以可以直接从 main 函数的参数里获取输入参数。但其实这类输入与我们这里讲的有很大的差别的，它在 Rust 里面被归为环境变量，可以通过 std::env::args() 获取，这个函数返回一个 Args 迭代器，其中第一个就是程序名，后面的都是输入给程序的命令行参数。

use std::env;

fn main() {
    let args = env::args();
    for arg in args {
        println!("{}", arg);
    }
}

将上面的程序存为 args.rs 然后编译执行，结果如下

$ rustc args.rs
$ ./args a b c
./args
a
b
c

文件输入与输出

文件 std::fs::File 本身实现了 Read 和 Write trait，所以文件的输入输出非常简单，只要得到一个 File 类型实例就可以调用读写接口进行文件输入与输出操作了。而要得到 File 就得让操作系统打开(open)或新建(create)一个文件。还是拿例子来说明

use std::io;
use std::io::prelude::*;
use std::fs::File;

// create file and write something
fn create_file(filename: &str, buf: &[u8]) -> io::Result<()> {
    let mut f = try!(File::create(filename));
    try!(f.write(&buf));
    Ok(())
}

// read from file to String
fn read_file(filename: &str, mut buf: &mut String) -> io::Result<()> {
    let mut f = try!(File::open(filename));
    try!(f.read_to_string(&mut buf));
    Ok(())
}

fn main() {
    let f = "foo.txt";
    let mut buf = String::new();
    match create_file(f, b"Hello, World!") {
        Ok(()) => {
            match read_file(f, &mut buf) {
                Ok(()) => {println!("{}", buf);},
                Err(e) => {println!("{}", e);},
            };
        },
        Err(e) => {println!("{}", e);},
    }
}

文件操作上面 Rust 与其它语言处理方式有些不一样，其它语言一般把读写选项作为函数参数传给 open 函数，而 Rust 则是在 option 上面调用 open 函数。 std::fs::OpenOptions 是一个 builder，通过 new 函数创建后，可以链式调用设置打开文件的选项，是 read, write, append, truncate 还是 create 等，OpenOptions 构建完成后就可以再接着调用 open 方法了，看下下面的例子就明白了

use std::fs::OpenOptions;

let file = OpenOptions::new().write(true).truncate(true).open("foo.txt");

Rust 这种用 builder pattern 来设置打开文件选项，相比于将选项以字符作为参数传给 open 函数的一个优点是可以让编译器保证检查选项合法性，不用等到运行时才发现手抖把 read-mode 的 r 写成了 t。