【Rust基础③】方法method、泛型与特征

6 方法 Method

Rust中，方法往往和对象成对出现：object.method()。Rust 的方法往往跟结构体、枚举、特征(Trait)一起使用

6.1 定义方法

Rust 使用 impl 来定义方法，例如以下代码：

struct Circle {
    x: f64,
    y: f64,
    radius: f64,
}

impl Circle {
    // new是Circle的关联函数，因为它的第一个参数不是self，且new并不是关键字
    // 这种方法往往用于初始化当前结构体的实例
    fn new(x: f64, y: f64, radius: f64) -> Circle {
        Circle {
            x: x,
            y: y,
            radius: radius,
        }
    }

    // Circle的方法，&self表示借用当前的Circle结构体
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
    }
}

注：Rust 的对象定义和方法定义是分离的，这种数据和使用分离的方式，会给予使用者极高的灵活度。

self、&self 和 &mut self

在一个 impl 块内，Self 指代被实现方法的结构体类型，self 指代此类型的实例，即为哪个结构体实现方法，那么 self 就是指代哪个结构体的实例。self 依然有所有权的概念：

• self 表示 Rectangle 的所有权转移到该方法中，这种形式用的较少
• &self 表示该方法对 Rectangle 的不可变借用
• &mut self 表示可变借用

self 的使用就跟函数参数一样，要严格遵守 Rust 的所有权规则。使用方法代替函数有以下好处：

• 不用在函数签名中重复书写 self 对应的类型
• 代码的组织性和内聚性更强，对于代码维护和阅读来说，好处巨大

在 Rust 中，允许方法名跟结构体的字段名相同，往往适用于实现 getter 访问器：

pub struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

impl Rectangle {
    pub fn new(width: u32, height: u32) -> Self {
        Rectangle { width, height }
    }
    pub fn width(&self) -> u32 {
        return self.width;
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle::new(30, 50);

    println!("{}", rect1.width());
}

用这种方式，我们可以把 Rectangle 的字段设置为私有属性，只需把它的 new 和 width 方法设置为公开可见，那么用户就可以创建一个矩形，同时通过访问器 rect1.width() 方法来获取矩形的宽度，因为 width 字段是私有的，当用户访问 rect1.width 字段时，就会报错。注意在此例中，Self 指代的就是被实现方法的结构体 Rectangle。

6.2 自动引用和解引用

在 C/C++ 语言中，有两个不同的运算符来调用方法：. 直接在对象上调用方法，而 -> 在一个对象的指针上调用方法，这时需要先解引用指针。换句话说，如果 object 是一个指针，那么 object->something() 和 (*object).something() 是一样的。

Rust 并没有一个与 -> 等效的运算符；相反，Rust 有一个叫 自动引用和解引用的功能。方法调用是 Rust 中少数几个拥有这种行为的地方。他是这样工作的：当使用 object.something() 调用方法时，Rust 会自动为 object 添加 &、&mut 或 * 以便使 object 与方法签名匹配。也就是说，这些代码是等价的:

p1.distance(&p2);
(&p1).distance(&p2);

第一行看起来简洁的多。这种自动引用的行为之所以有效，是因为方法有一个明确的接收者———— self 的类型。在给出接收者和方法名的前提下，Rust 可以明确地计算出方法是仅仅读取（&self），做出修改（&mut self）或者是获取所有权（self）。事实上，Rust 对方法接收者的隐式借用让所有权在实践中更友好。

6.3 关联函数

思考一个问题，如何为一个结构体定义一个构造器方法？也就是接受几个参数，然后构造并返回该结构体的实例。其实答案在开头的代码片段中就给出了，很简单，参数中不包含 self 即可。

这种定义在 impl 中且没有 self 的函数被称之为关联函数： 因为它没有 self，不能用 f.read() 的形式调用，因此它是一个函数而不是方法，它又在 impl 中，与结构体紧密关联，因此称为关联函数。

在之前的代码中，我们已经多次使用过关联函数，例如 String::from，用于创建一个动态字符串。

impl Rectangle {
    fn new(w: u32, h: u32) -> Rectangle {
        Rectangle { width: w, height: h }
    }
}

Rust 中有一个约定俗成的规则，使用 new 来作为构造器的名称，出于设计上的考虑，Rust 特地没有用 new 作为关键字

因为是函数，所以不能用 . 的方式来调用，我们需要用 :: 来调用，例如 let sq = Rectangle::new(3, 3);。这个方法位于结构体的命名空间中：:: 语法用于关联函数和模块创建的命名空间。

Rust 允许我们为一个结构体定义多个 impl 块，目的是提供更多的灵活性和代码组织性，例如当方法多了后，可以把相关的方法组织在同一个 impl 块中，那么就可以形成多个 impl 块，各自完成一块儿目标。

除了结构体，还可以为枚举、特征(trait)实现方法，如：

#![allow(unused)]
enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y: i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

impl Message {
    fn call(&self) {
        // 在这里定义方法体
    }
}

fn main() {
    let m = Message::Write(String::from("hello"));
    m.call();
}

7 泛型和特征

7.1 泛型 Generics

使用泛型参数，有一个先决条件，必需在使用前对其进行声明：

fn largest<T>(list: &[T]) -> T {}

可以这样理解这个函数定义：函数 largest 有泛型类型 T，它有个参数 list，其类型是元素为 T 的数组切片，最后，该函数返回值的类型也是 T。

7.1.1 结构体中使用泛型

结构体中的字段类型也可以用泛型来定义，下面代码定义了一个坐标点 Point，它可以存放任何类型的坐标值：

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

fn main() {
    let integer = Point { x: 5, y: 10 };
    let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 };
}

这里有两点需要特别的注意：

• 提前声明，跟泛型函数定义类似，首先我们在使用泛型参数之前必需要进行声明 Point，接着就可以在结构体的字段类型中使用 T 来替代具体的类型
• x 和 y 是相同的类型，若需要不同类型，将声明改为struct Point { x: T, y: U, }

7.1.2 枚举中使用泛型

Option 枚举类型

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

Option 是一个拥有泛型 T 的枚举类型，它第一个成员是 Some(T)，存放了一个类型为 T 的值。可以在任何一个需要返回值的函数中，去使用 Option 枚举类型来做为返回值，用于返回一个任意类型的值 Some(T)，或者没有值 None。

Result枚举类型

enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}

主要用于函数返回值，如果函数正常运行，则最后返回一个 Ok(T)，T 是函数具体的返回值类型，如果函数异常运行，则返回一个 Err(E)，E 是错误类型。例如打开一个文件：如果成功打开文件，则返回 Ok(std::fs::File)，因此 T 对应的是 std::fs::File 类型；而当打开文件时出现问题时，返回 Err(std::io::Error)，E 对应的就是 std::io::Error 类型。

7.1.3 方法中使用泛型

在结构体的方法中定义额外的泛型参数，就跟泛型函数一样：

struct Point<T, U> {
    x: T,
    y: U,
}

impl<T, U> Point<T, U> {
    fn mixup<V, W>(self, other: Point<V, W>) -> Point<T, W> {
        Point {
            x: self.x,
            y: other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 5, y: 10.4 };
    let p2 = Point { x: "Hello", y: 'c'};

    let p3 = p1.mixup(p2);

    println!("p3.x = {}, p3.y = {}", p3.x, p3.y);
}

这个例子中，T,U 是定义在结构体 Point 上的泛型参数，V,W 是单独定义在方法 mixup 上的泛型参数，可以理解为，一个是结构体泛型，一个是函数泛型。

为具体的泛型类型实现方法

对于 Point 类型，你不仅能定义基于 T 的方法，还能针对特定的具体类型，进行方法定义：

impl Point<f32> {
    fn distance_from_origin(&self) -> f32 {
        (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
    }
}

这段代码意味着 Point 类型会有一个方法 distance_from_origin，而其他 T 不是 f32 类型的 Point 实例则没有定义此方法。这个方法计算点实例与坐标(0.0, 0.0) 之间的距离，并使用了只能用于浮点型的数学运算符。

这样我们就能针对特定的泛型类型实现某个特定的方法，对于其它泛型类型则没有定义该方法

7.1.4 const 泛型

const 泛型，针对值的泛型，可以用于处理数组长度的问题：

fn display_array<T: std::fmt::Debug, const N: usize>(arr: [T; N]) {
    println!("{:?}", arr);
}
fn main() {
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(arr);

    let arr: [i32; 2] = [1, 2];
    display_array(arr);
}

如上所示，我们定义了一个类型为 [T; N] 的数组，其中 T 是一个基于类型的泛型参数，重点在于 N 这个泛型参数，它是一个基于值的泛型参数！因为它用来替代的是数组的长度。

注意的是需要对 T 加一个限制 std::fmt::Debug，该限制表明 T 可以用在 println!("{:?}", arr) 中，因为 {:?} 形式的格式化输出需要 arr 实现该特征。

N 就是 const 泛型，定义的语法是 const N: usize，表示 const 泛型 N ，它基于的值类型是 usize。

Rust 通过在编译时进行泛型代码的 单态化(monomorphization)来保证效率。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。

编译器所做的工作正好与我们创建泛型函数的步骤相反，编译器寻找所有泛型代码被调用的位置并针对具体类型生成代码。

7.2 特征 Trait

特征类似于其他语言中的接口，定义了一组可以被共享的行为，只要实现了特征，你就能使用这组行为。

7.2.1 为类型实现特征

因为特征只定义行为看起来是什么样的，因此我们需要为类型实现具体的特征，定义行为具体是怎么样的。

首先来为 Post 和 Weibo 实现 Summary 特征：

//特征定义，也可以在特征中定义具有默认实现的方法
pub trait Summary {
    fn summarize(&self) -> String;
}

pub struct Post {
    pub title: String, // 标题
    pub author: String, // 作者
    pub content: String, // 内容
}
//特征实现
impl Summary for Post {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("文章{}, 作者是{}", self.title, self.author)
    }
}

pub struct Weibo {
    pub username: String,
    pub content: String
}

impl Summary for Weibo {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("{}发表了微博{}", self.username, self.content)
    }
}

实现特征的语法与为结构体、枚举实现方法很像：impl Summary for Post，读作“为 Post 类型实现 Summary 特征”，然后在 impl 的花括号中实现该特征的具体方法。

关于特征实现与定义的位置，有一条非常重要的原则：如果你想要为类型 A 实现特征 T，那么 A 或者 T 至少有一个是在当前作用域中定义的！

7.2.2 使用特征作为函数参数

定义一个函数，使用特征作为函数参数：

pub fn notify(item: &impl Summary) {
    println!("Breaking news! {}", item.summarize());
}

impl Summary，它的意思是 实现了Summary特征 的 item 参数。

你可以使用任何实现了 Summary 特征的类型作为该函数的参数，同时在函数体内，还可以调用该特征的方法，例如 summarize 方法。具体的说，可以传递 Post 或 Weibo 的实例来作为参数，而其它类如 String 或者 i32 的类型则不能用做该函数的参数，因为它们没有实现 Summary 特征。

7.2.3 特征约束(trait bound)

虽然 impl Trait 这种语法非常好理解，但是实际上它只是一个语法糖：

pub fn notify<T: Summary>(item: &T) {
    println!("Breaking news! {}", item.summarize());
}

真正的完整书写形式如上所述，形如 T: Summary 被称为特征约束。

在简单的场景下 impl Trait 这种语法糖就足够使用，但是对于复杂的场景，特征约束可以让我们拥有更大的灵活性和语法表现能力，例如一个函数接受两个 impl Summary 的参数：

pub fn notify(item1: &impl Summary, item2: &impl Summary) {}

如果函数两个参数是不同的类型，那么上面的方法很好，只要这两个类型都实现了 Summary 特征即可。但是如果我们想要强制函数的两个参数是同一类型呢？上面的语法就无法做到这种限制，此时我们只能使特征约束来实现：

pub fn notify<T: Summary>(item1: &T, item2: &T) {}

泛型类型 T 说明了 item1 和 item2 必须拥有同样的类型，同时 T: Summary 说明了 T 必须实现 Summary 特征。

多重约束

pub fn notify<T: Summary + Display>(item: &T) {}

通过这两个特征，就可以使用 item.summarize 方法，以及通过 println!("{}", item) 来格式化输出 item。

where约束

当特征约束变得很多时，函数的签名将变得很复杂：

fn some_function<T: Display + Clone, U: Clone + Debug>(t: &T, u: &U) -> i32 {}

严格来说，上面的例子还是不够复杂，但是我们还是能对其做一些形式上的改进，通过 where：

fn some_function<T, U>(t: &T, u: &U) -> i32
    where T: Display + Clone,
          U: Clone + Debug
{}

7.2.4 函数返回中的impl trait

可以通过 impl Trait 来说明一个函数返回了一个类型，该类型实现了某个特征：

fn returns_summarizable() -> impl Summary {
    Weibo {
        username: String::from("sunface"),
        content: String::from(
            "m1 max太厉害了，电脑再也不会卡",
        )
    }
}

因为 Weibo 实现了 Summary，因此这里可以用它来作为返回值。要注意的是，虽然我们知道这里是一个 Weibo 类型，但是对于 returns_summarizable 的调用者而言，他只知道返回了一个实现了 Summary 特征的对象，但是并不知道返回了一个 Weibo 类型。

当函数返回的真实类型非常复杂，不知道该怎么声明时(毕竟 Rust 要求你必须标出所有的类型)，此时就可以用 impl Trait 的方式简单返回。例如，闭包和迭代器就是很复杂，只有编译器才知道那玩意的真实类型，如果让你写出来它们的具体类型，估计内心有一万只草泥马奔腾，好在你可以用 impl Iterator 来告诉调用者，返回了一个迭代器，因为所有迭代器都会实现 Iterator 特征。

7.2.5 两个综合例子

为自定义类型实现 + 操作

在 Rust 中除了数值类型的加法，String 也可以做加法，因为 Rust 为该类型实现了 std::ops::Add 特征，同理，如果我们为自定义类型实现了该特征，那就可以自己实现 Point1 + Point2 的操作:

use std::ops::Add;

// 为Point结构体派生Debug特征，用于格式化输出
#[derive(Debug)]
struct Point<T: Add<T, Output = T>> { //限制类型T必须实现了Add特征，否则无法进行+操作。
    x: T,
    y: T,
}

impl<T: Add<T, Output = T>> Add for Point<T> {
    type Output = Point<T>;

    fn add(self, p: Point<T>) -> Point<T> {
        Point{
            x: self.x + p.x,
            y: self.y + p.y,
        }
    }
}

fn add<T: Add<T, Output=T>>(a:T, b:T) -> T {
    a + b
}

fn main() {
    let p1 = Point{x: 1.1f32, y: 1.1f32};
    let p2 = Point{x: 2.1f32, y: 2.1f32};
    println!("{:?}", add(p1, p2));

    let p3 = Point{x: 1i32, y: 1i32};
    let p4 = Point{x: 2i32, y: 2i32};
    println!("{:?}", add(p3, p4));
}

自定义类型的打印输出

在开发过程中，往往只要使用 #[derive(Debug)] 对我们的自定义类型进行标注，即可实现打印输出的功能：

#[derive(Debug)]
struct Point{
    x: i32,
    y: i32
}
fn main() {
    let p = Point{x:3,y:3};
    println!("{:?}",p);
}

但是在实际项目中，往往需要对我们的自定义类型进行自定义的格式化输出，以让用户更好的阅读理解我们的类型，此时就要为自定义类型实现 std::fmt::Display 特征：

#![allow(dead_code)]

use std::fmt;
use std::fmt::{Display};

#[derive(Debug,PartialEq)]
enum FileState {
  Open,
  Closed,
}

#[derive(Debug)]
struct File {
  name: String,
  data: Vec<u8>,
  state: FileState,
}

impl Display for FileState {
   fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
     match *self {
         FileState::Open => write!(f, "OPEN"),
         FileState::Closed => write!(f, "CLOSED"),
     }
   }
}

impl Display for File {
   fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
      write!(f, "<{} ({})>",
             self.name, self.state)
   }
}

impl File {
  fn new(name: &str) -> File {
    File {
        name: String::from(name),
        data: Vec::new(),
        state: FileState::Closed,
    }
  }
}

fn main() {
  let f6 = File::new("f6.txt");
  //...
  println!("{:?}", f6);
  println!("{}", f6);
}

7.3 特征对象

可以通过 & 引用或者 Box 智能指针的方式来创建特征对象。

trait Draw {
    fn draw(&self) -> String;
}

impl Draw for u8 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("u8: {}", *self)
    }
}

impl Draw for f64 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("f64: {}", *self)
    }
}

// 若 T 实现了 Draw 特征， 则调用该函数时传入的 Box 可以被隐式转换成函数参数签名中的 Box
fn draw1(x: Box<dyn Draw>) {
    // 由于实现了 Deref 特征，Box 智能指针会自动解引用为它所包裹的值，然后调用该值对应的类型上定义的 `draw` 方法
    x.draw();
}

fn draw2(x: &dyn Draw) {
    x.draw();
}

fn main() {
    let x = 1.1f64;
    // do_something(&x);
    let y = 8u8;

    // x 和 y 的类型 T 都实现了 `Draw` 特征，因为 Box 可以在函数调用时隐式地被转换为特征对象 Box 
    // 基于 x 的值创建一个 Box 类型的智能指针，指针指向的数据被放置在了堆上
    draw1(Box::new(x));
    // 基于 y 的值创建一个 Box 类型的智能指针
    draw1(Box::new(y));
    draw2(&x);
    draw2(&y);
}

上面代码，有几个非常重要的点：

• draw1 函数的参数是 Box 形式的特征对象，该特征对象是通过 Box::new(x) 的方式创建的
• draw2 函数的参数是 &dyn Draw 形式的特征对象，该特征对象是通过 &x 的方式创建的
• dyn 关键字只用在特征对象的类型声明上，在创建时无需使用 dyn

因此，可以使用特征对象来代表泛型或具体的类型。

泛型是在编译期完成处理的：编译器会为每一个泛型参数对应的具体类型生成一份代码，这种方式是静态分发(static dispatch)，因为是在编译期完成的，对于运行期性能完全没有任何影响。

与静态分发相对应的是动态分发(dynamic dispatch)，在这种情况下，直到运行时，才能确定需要调用什么方法。之前代码中的关键字 dyn 正是在强调这一“动态”的特点。当使用特征对象时，Rust 必须使用动态分发。

特征对象特点：

• 特征对象大小不固定（对于不同的类型可以实现相同特征）
• 几乎总是使用特征对象的引用方式，如 &dyn Draw、Box（引用大小是固定的，占用两个指针大小：ptr-指向实现了特征的具体类型的实例/vptr-指向虚表vtable）

在Rust中，一般Self代表类型，self指代当前实例对象。

不是所有特征都能拥有特征对象，只有对象安全的特征才行。当一个特征的所有方法都有如下属性时，它的对象才是安全的：

• 方法的返回类型不能是 Self
• 方法没有任何泛型参数