RustCourse: От новичка до эксперта

Содержание

Часть 0: Online Playground

• Online Playground для написания базовых приложений на Rust прямо в браузере

Часть I: Введение в Rust

• 1. Почему Rust?

  • История и философия языка
  • Безопасность памяти и производительность
  • Сравнение с C, C++, и другими языками
  • Почему не перешли на Rust, если он так хорош?
  • Примеры задач, где Rust идеален
  • Упражнение: Установить Rust и написать "Hello, World!"

• 2. Установка и настройка окружения

  • Rustup: установка и обновление
  • Cargo: менеджер пакетов и сборки
  • Редакторы: VSCode, IntelliJ, и настройки
  • Инструменты: rustfmt, clippy, rust-analyzer
  • Упражнение: Настроить окружение и проверить форматирование кода

• 3. Основы синтаксиса

  • Переменные и изменяемость (let, mut)
  • Типы данных: скалярные (i32, f64, bool) и составные (массивы, кортежи)
  • Операторы: арифметические, логические, побитовые
  • Выражения и точка с запятой
  • Литералы и их кастомизация (числовые, строковые, сырые строки)
  • Разница между стеком и кучей
  • Комментарии и форматирование кода
  • Заглушки (placeholders) или типовые параметры
  • Упражнение: Написать программу с переменными и выводом

Часть II: Основы программирования на Rust

• 4. Управление потоком

  • Условия: if, else if, else
  • Match: сопоставление с образцом
  • Циклы: loop, while, for
  • Прерывание и продолжение (break, continue)
  • Завершение программы (exit) в Rust
  • Примеры: разбор случаев с match
  • Упражнение: Реализовать конечный автомат с помощью match

• 5. Функции

  • Определение и вызов функций
  • Параметры и возвращаемые значения
  • Анонимные функции и замыкания (closures)
  • Передача функций как аргументов
  • Примеры: рекурсия и замыкания
  • Упражнение: Написать функцию с замыканием для фильтрации

• 6. Владение и заимствование

  • Концепция владения (Ownership)
  • Правила заимствования (Borrowing): & и &mut
  • Ссылки и срезы (References & Slices)
  • Время жизни (Lifetimes): основы
  • Очистка и удаление переменных в Rust
  • Примеры: ошибки компиляции и их исправление
  • Упражнение: Реализовать структуру с заимствованием

Часть III: Работа с данными

• 7. Структуры и перечисления

  • Определение структур (struct): именованные, кортежные, юнит
  • Методы и ассоциированные функции
  • Перечисления (enum) и их возможности
  • Использование Option как enum
  • Примеры: моделирование данных
  • Упражнение: Создать enum для обработки ошибок

• 8. Последовательности: массивы, кортежи и векторы

  • Массивы: фиксированный размер [T; N], инициализация, доступ
  • Кортежи: разнородные данные (T1, T2, ...), деструктуризация
  • Векторы: динамический размер Vec<T>, методы (push, pop)
  • Сравнение производительности и случаев использования
  • Итерация по последовательностям
  • Примеры: обработка массива, кортеж как результат, накопление в Vec
  • Упражнение: Написать программу для обработки списка чисел всеми тремя типами

• 9. Коллекции

  • Обзор коллекций: Vec, String, HashMap, HashSet
  • Методы и операции с коллекциями
  • Итераторы: iter, into_iter, iter_mut
  • Сортировка массива с заменой (аналог sort)
  • Сортировка с сохранением ключей (аналог asort)
  • Пользовательская сортировка (аналог usort)
  • Удаление элемента (аналог unset)
  • Сравнение производительности коллекций
  • Примеры: обработка списков и словарей
  • Упражнение: Реализовать поиск в HashMap

• 10. Работа со строками: разбиение и склеивание

  • Введение
  • Типы строк в Rust
  • Разбиение строк (Splitting)
  • Склеивание строк (Concatenation)
  • Извлечения подстроки из строки (аналог substr)
  • Различия между String и &str
  • Типичные ошибки новичков
  • Примеры для практики
  • Упражнение

• 11. Обработка ошибок

  • Option: работа с отсутствием значения
  • Result: обработка ошибок
  • Паника: panic!, unwrap, expect
  • Пользовательские ошибки с enum
  • Примеры: обработка файлов с Result
  • Упражнение: Написать функцию с обработкой ошибок

• 12. Работа с файлами и вводом-выводом

  • Основы ввода-вывода: std::fs::File и std::io
  • Буферизация: BufReader и BufWriter
  • Работа с путями: std::path::Path и PathBuf
  • Чтение и запись текстовых данных
  • Копирование файлов (std::fs::copy)
  • Перемещение файлов (std::fs::rename)
  • Пример: Копирование и перемещение
  • Удаление файла (std::fs::remove_file)
  • Удаление директорий
  • Выполнение системных команд в Rust
  • Конфигурационные файлы в Rust: INI и TOML
  • Парсинг файлов: CSV и JSON
  • Примеры реальных задач
  • Упражнение: Анализ текстового файла (подсчет слов)

• 13. Работа с регулярными выражениями

  • Введение в регулярные выражения: синтаксис, назначение
  • Использование библиотеки regex: подключение через Cargo, основные методы (is_match, captures, find)
  • Создание и компиляция шаблонов: Regex::new, обработка ошибок
  • Группы захвата и извлечение данных: named groups, индексы
  • Итерация по совпадениям: find_iter, captures_iter
  • Замена текста: replace, replace_all
  • Производительность: кэширование Regex, ленивая компиляция (lazy_regex)
  • Примеры: парсинг логов, валидация ввода, извлечение данных из строк
  • Упражнение: Написать программу для извлечения email-адресов из текстового файла

• 14. Работа со временем и датами

  • std::time: SystemTime, Duration
  • Библиотека chrono: DateTime, таймзоны
  • Замер времени выполнения
  • Форматирование и парсинг дат
  • Примеры: таймер, логирование с метками времени
  • Упражнение: Написать таймер с логированием

Часть IV: Модули и организация кода

• 15. Модульная система

  • Модули: mod, use
  • Пути и видимость: pub, crate
  • Работа с внешними зависимостями
  • Иерархия модулей
  • Примеры: разделение кода на модули
  • Упражнение: Создать проект с несколькими модулями

• 16. Cargo в деталях

  • Структура Cargo.toml: зависимости, метаданные
  • Управление версиями зависимостей
  • Профили сборки: release, debug
  • Команды Cargo: build, run, test
  • Примеры: настройка сложного проекта
  • Управление итоговыми файлами и статическая линковка
  • Упражнение: Добавить зависимость и использовать её
  • Заключение

• 17. Кроссплатформенная разработка

  • Условная компиляция: #[cfg] и feature
  • Кросс-компиляция: настройка toolchain
  • Особенности разных ОС (Windows, Linux, macOS): Пути, Symlink и Signal-Hook
  • Тестирование на разных платформах
  • CI/CD с GitHub Actions
  • Примеры: сборка для Windows и Linux
  • Упражнение: Настроить проект для двух платформ

• 18. Обзор стандартной библиотеки

  • Введение в стандартную библиотеку
  • Спецификаторы форматирования в Rust ({}, std::fmt)
  • Основные модули ввода-вывода и файловой системы (std::io, std::fs, std::path)
  • Коллекции (std::collections)
  • Утилиты (std::cmp, std::fmt, std::convert, std::mem)
  • Работа с потоками и синхронизацией (std::thread, std::sync, std::cell)
  • Обработка времени и процессов (std::time, std::process, std::env)
  • Сетевые возможности (std::net)
  • Обработка данных (std::str, std::string, std::vec, std::iter)
  • Управление ошибками и опциональными значениями (std::option, std::result, std::error)
  • std::future — Основы работы с Future
  • Дополнительные возможности — std::any и std::ffi
  • Форматирование вывода — Трейты Display и Debug, кастомный вывод с std::fmt
  • Примеры

• 19. Идиоматичный Rust и культура разработки

  • Что значит "idiomatic Rust": ясность, безопасность, лаконичность
  • Соглашения об именовании (snake_case, CamelCase)
  • Использование итераторов и функциональных подходов
  • Работа с сообществом: Rust RFC, кодекс поведения
  • Примеры: рефакторинг кода в идиоматичный стиль
  • Упражнение: Переписать неидиоматичный код с циклами в итераторы

Часть V: Продвинутые темы

• 20. Умные указатели

  • Введение в умные указатели
  • Box: владение на куче
  • Rc и Arc: подсчёт ссылок
  • RefCell и Cell: внутренняя изменяемость
  • Стек vs куча: как Rust управляет памятью
  • Сравнение и случаи применения
  • Примеры: управление памятью в дереве
  • Упражнение: Реализовать дерево с Rc и RefCell

• 21. Многопоточность

  • Введение в многопоточность
  • Потоки: std::thread
  • Каналы: std::sync::mpsc
  • Синхронизация: Mutex и RwLock
  • Атомарные операции: Atomic types
  • Thread-local storage (thread_local!) и rayon
  • tokio
  • Примеры: параллельная обработка данных
  • Упражнение: многопоточный парсер

• 22. Паттерны проектирования в Rust

  • Классические паттерны: Singleton, Builder, Strategy
  • Идиомы Rust: RAII, итераторы
  • Адаптация паттернов под владение
  • Примеры: реализация Builder
  • Упражнение: Реализовать паттерн Observer

• 23. Сетевое программирование

  • Основы TCP/UDP: std::net
  • HTTP-клиенты: reqwest
  • HTTP-серверы: hyper
  • Обработка ошибок в сети
  • Примеры: простой чат-сервер
  • Упражнение: Написать HTTP-клиент для API

• 24. Трейты и обобщённое программирование

  • Определение и реализация трейтов
  • Обобщённые типы (generics)
  • Ограничения трейтов (trait bounds)
  • Трейты по умолчанию: Default, Clone
  • Примеры: универсальная сортировка
  • Упражнение: Создать обобщённую структуру с трейтом

• 25. Управление типами и их преобразование

  • Приведение типов: as, Into, From, TryInto
  • Псевдонимы типов: type aliases
  • Переопределение поведения: Deref и DerefMut
  • Ограничения и ошибки преобразований
  • Примеры: преобразование чисел и строк
  • Упражнение: Реализовать структуру с Into и Deref
  • Заключение

• 26. Макросы

  • Введение в макросы
  • Декларативные макросы: macro_rules!
  • Процедурные макросы
  • Ограничения макросов в Rust
  • Практический пример: Макрос для логирования
  • Упражнение: Макрос для повторяющихся операций
  • Лучшие практики и подводные камни
  • Заключение

• 27. Графические интерфейсы GUI

  • Почему GUI в Rust интересен?
  • Низкоуровневый подход: Windows API
  • Минимализм с winit и softbuffer
  • OpenGL: Всё с нуля!
  • Высокоуровневый подход: iced
  • Интеграция Rust с другими технологиями: FFI и Flutter
  • Electron: Rust + JavaScript для современного GUI
  • Реальный пример: Сетка 3x3 для RTSP-потоков
  • Что выбрать?

Часть VI: Экспертный уровень

• 28. Unsafe Rust

  • Введение в Unsafe Rust
  • Когда использовать unsafe
  • Работа с сырой памятью: *const и *mut
  • FFI: взаимодействие с C
  • Выравнивание памяти (alignment) и низкоуровневые детали
  • Проверка безопасности вручную
  • Примеры: вызов C-функции
  • Упражнение: Связать Rust с C-библиотекой
  • Заключение

• 29. Оптимизация и профилирование

  • Анализ производительности: perf, flamegraph
  • Бенчмарки: criterion
  • Оптимизация: инлайн, выбор алгоритмов
  • Избежание копирования
  • Примеры: ускорение сортировки
  • Упражнение: Оптимизировать алгоритм

• 30. Асинхронное программирование

  • Futures и async/await
  • Runtime: Tokio, async-std
  • Асинхронные операции: таймеры, сеть
  • Обработка ошибок в async
  • Примеры: асинхронный сервер
  • Упражнение: Написать асинхронный клиент

• 31. Rust в экосистеме

  • WebAssembly: wasm-bindgen
  • Встраиваемые системы: no_std
  • Сетевые приложения: примеры библиотек
  • Кроссплатформенные фреймворки
  • Примеры: сборка для браузера
  • Упражнение: Собрать проект для WebAssembly

• 32. Интеграция с базами данных

  • SQL с использованием rusqlite и diesel
  • NoSQL: redis-rs, mongodb
  • CRUD-операции
  • Миграции и ORM
  • Примеры: база данных задач
  • Упражнение: Реализовать список дел с базой

• 33. Константное программирование

  • Константы и const fn
  • Const generics: обобщения на этапе компиляции
  • Применение в no_std и embedded
  • Ограничения и возможности
  • Примеры: вычисление факториала на этапе компиляции
  • Упражнение: Реализовать структуру с const fn

• 34. Продвинутая оптимизация: SIMD и специализация

  • Векторизация с SIMD (std::simd, nightly)
  • Специализация трейтов (trait specialization, nightly)
  • Ограничения и настройка nightly
  • Примеры: ускорение обработки массивов с SIMD
  • Упражнение: Оптимизировать суммирование массива

• 35. Практическая криптография и автоматизация сертификатов с OpenSSL, SSL/TLS, ГОСТ и ACME

  • Введение
  • Основы криптографии с OpenSSL и ГОСТ
  • SSL/TLS в клиент-серверных приложениях
  • Протокол ACME и автоматизация сертификатов
  • Практическая реализация на Rust
  • Интеграция и тестирование
  • Заключение
  • Приложения

• 36. Подробнее о Crate

  • Сколько всего крейтов в Rust?
  • Кто авторы крейтов?
  • Кто принимает изменения в крейтах?
  • Сравнение с Go, Node.js и PHP с точки зрения безопасности
  • Безопасность в Rust: как обстоят дела?
  • Топ крейтов
  • Локальный репозиторий Crate

• 37. Системное программирование

  • Работа с памятью в no_std (аллокаторы, raw pointers).
  • Системные вызовы (nix, libc).
  • Пример для встраиваемых систем (минимальный драйвер).
  • Rust: embedded-hal vs кастомный доступ к железу.
  • Упражнение: Написать утилиту для чтения системных данных.

• 38. Блокчейн и распределённые системы

  • Основы P2P для блокчейна: введение в libp2p или кастомный протокол.
  • Основы: хэш блока, Proof-of-Work.
  • P2P-сеть для синхронизации (libp2p или tokio::net).
  • Простой консенсус (PoW или PoS).
  • Rust: sha2 и serde vs кастомная реализация хэша.
  • Упражнение: Создать мини-блокчейн с двумя узлами.

Часть VII: Практика и проекты

• 39. Реальные проекты

  • CLI-утилита: парсер аргументов
  • Веб-сервер: REST API
  • Парсер данных: обработка JSON
  • Выбор собственного проекта
  • Примеры: реализация утилиты
  • Упражнение: Выбрать и реализовать проект
  • ACME-клиент для Let’s Encrypt: с acme-lib или с нуля.
  • Системная утилита для мониторинга памяти.
  • Системный монитор с no_std: для встраиваемых систем).
  • Криптографический инструмент для подписи файлов.
  • Блокчейн для хранения транзакций.
  • P2P-блокчейн для обмена сообщениями.
  • Написание ядра ОС.

• 40. Тестирование и документация

  • Unit-тесты: #[test]
  • Integration-тесты
  • Генерация документации: cargo doc
  • Примеры: тестирование модуля
  • Упражнение: Добавить тесты к проекту
  • Тестирование криптографических функций (валидность подписи).
  • Тестирование системных вызовов (мocks с mockall).
  • Тестирование блокчейн-узлов (синхронизация).

• 41. Отладка и диагностика

  • Логирование: println!, dbg!
  • Интеграция с дебаггерами: gdb, lldb
  • Анализ логов и ошибок
  • Инструменты: cargo watch, tracing
  • Примеры: пошаговая отладка
  • Упражнение: Найти и исправить баг

• 42. Работа с командной строкой

  • Парсинг аргументов: std::env, clap
  • Создание CLI-утилит
  • Обработка ввода-вывода в терминале
  • Ошибки и пользовательский интерфейс
  • Примеры: утилита для анализа файлов
  • Упражнение: Написать CLI для подсчёта строк в файле

• 43. Экосистема и публикация

  • Публикация крейтов на crates.io
  • Настройка CI/CD: GitHub Actions, Travis CI
  • Управление версиями и документацией
  • Сообщество и поддержка кода
  • Примеры: публикация библиотеки
  • Упражнение: Опубликовать простой крейт

• 44. Типичные ошибки и как их избегать

  • Ошибки borrow checker: "cannot borrow as mutable", "use of moved value"
  • Проблемы с lifetimes: dangling references
  • Неправильное использование unwrap/expect
  • Ошибки в многопоточности: data races
  • Примеры: исправление типичных багов
  • Упражнение: Найти и исправить ошибки в предоставленном коде

Приложения

• Словарь терминов Rust
• Частые ошибки и их решения
• Ресурсы для дальнейшего изучения
• Ответы к проверочным заданиям
• Список разных проектов на Rust