为了学习Rust,阅读了github上的Rust By Practice电子书,本文章只是用来记录自己的学习过程,感兴趣的可以阅读原书,希望大家都能掌握Rust!
在方法一章中,我们讲到了关联函数,但是实际上关联类型和关联函数并没有任何交集,虽然它们的名字有一半的交集。
关联类型是在特征定义的语句块中,申明一个自定义类型,这样就可以在特征的方法签名中使用该类型:
pub trait Iterator {
type Item;
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}
以上是标准库中的迭代器特征 Iterator
,它有一个 Item
关联类型,用于替代遍历的值的类型。
同时,next
方法也返回了一个 Item
类型,不过使用 Option
枚举进行了包裹,假如迭代器中的值是 i32
类型,那么调用 next
方法就将获取一个 Option<i32>
的值。
还记得 Self
吧?在之前的章节提到过, Self
用来指代当前调用者的具体类型,那么 Self::Item
就用来指代该类型实现中定义的 Item
类型:
impl Iterator for Counter {
type Item = u32;
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
// --snip--
}
}
fn main() {
let c = Counter{..}
c.next()
}
在上述代码中,我们为 Counter
类型实现了 Iterator
特征,变量 c
是特征 Iterator
的实例,也是 next
方法的调用者。 结合之前的黑体内容可以得出:对于 next
方法而言,Self
是调用者 c
的具体类型: Counter
,而 Self::Item
是 Counter
中定义的 Item
类型: u32
。
聪明的读者之所以聪明,是因为你们喜欢联想和举一反三,同时你们也喜欢提问:为何不用泛型,例如如下代码:
pub trait Iterator<Item> {
fn next(&mut self) -> Option<Item>;
}
答案其实很简单,为了代码的可读性,当你使用了泛型后,你需要在所有地方都写 Iterator<Item>
,而使用了关联类型,你只需要写 Iterator
,当类型定义复杂时,这种写法可以极大的增加可读性:
pub trait CacheableItem: Clone + Default + fmt::Debug + Decodable + Encodable {
type Address: AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash;
fn is_null(&self) -> bool;
}
例如上面的代码,Address
的写法自然远比 AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash
要简单的多,而且含义清晰。
再例如,如果使用泛型,你将得到以下的代码:
trait Container<A,B> {
fn contains(&self,a: A,b: B) -> bool;
}
fn difference<A,B,C>(container: &C) -> i32
where
C : Container<A,B> {...}
可以看到,由于使用了泛型,导致函数头部也必须增加泛型的声明,而使用关联类型,将得到可读性好得多的代码:
trait Container{
type A;
type B;
fn contains(&self, a: &Self::A, b: &Self::B) -> bool;
}
fn difference<C: Container>(container: &C) {}
当使用泛型类型参数时,可以为其指定一个默认的具体类型,例如标准库中的 std::ops::Add
特征:
trait Add<RHS=Self> {
type Output;
fn add(self, rhs: RHS) -> Self::Output;
}
它有一个泛型参数 RHS
,但是与我们以往的用法不同,这里它给 RHS
一个默认值,也就是当用户不指定 RHS
时,默认使用两个同样类型的值进行相加,然后返回一个关联类型 Output
。
可能上面那段不太好理解,下面我们用代码来举例:
use std::ops::Add;
#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point {
x: i32,
y: i32,
}
impl Add for Point {
type Output = Point;
fn add(self, other: Point) -> Point {
Point {
x: self.x + other.x,
y: self.y + other.y,
}
}
}
fn main() {
assert_eq!(Point { x: 1, y: 0 } + Point { x: 2, y: 3 },
Point { x: 3, y: 3 });
}
上面的代码主要干了一件事,就是为 Point
结构体提供 +
的能力,这就是运算符重载,不过 Rust 并不支持创建自定义运算符,你也无法为所有运算符进行重载,目前来说,只有定义在 std::ops
中的运算符才能进行重载。
跟 +
对应的特征是 std::ops::Add
,我们在之前也看过它的定义 trait Add<RHS=Self>
,但是上面的例子中并没有为 Point
实现 Add<RHS>
特征,而是实现了 Add
特征(没有默认泛型类型参数),这意味着我们使用了 RHS
的默认类型,也就是 Self
。换句话说,我们这里定义的是两个相同的 Point
类型相加,因此无需指定 RHS
。
与上面的例子相反,下面的例子,我们来创建两个不同类型的相加:
use std::ops::Add;
struct Millimeters(u32);
struct Meters(u32);
impl Add<Meters> for Millimeters {
type Output = Millimeters;
fn add(self, other: Meters) -> Millimeters {
Millimeters(self.0 + (other.0 * 1000))
}
}
这里,是进行 Millimeters + Meters
两种数据类型的 +
操作,因此此时不能再使用默认的 RHS
,否则就会变成 Millimeters + Millimeters
的形式。使用 Add<Meters>
可以将 RHS
指定为 Meters
,那么 fn add(self, rhs: RHS)
自然而言的变成了 Millimeters
和 Meters
的相加。
默认类型参数主要用于两个方面:
之前的例子就是第一点,虽然效果也就那样。在 +
左右两边都是同样类型时,只需要 impl Add
即可,否则你需要 impl Add<SOME_TYPE>
,嗯,会多写几个字:)
对于第二点,也很好理解,如果你在一个复杂类型的基础上,新引入一个泛型参数,可能需要修改很多地方,但是如果新引入的泛型参数有了默认类型,情况就会好很多,添加泛型参数后,使用这个类型的代码需要逐个在类型提示部分添加泛型参数,就很麻烦;但是有了默认参数(且默认参数取之前的实现里假设的值的情况下)之后,原有的使用这个类型的代码就不需要做改动了。
归根到底,默认泛型参数,是有用的,但是大多数情况下,咱们确实用不到,当需要用到时,大家再回头来查阅本章即可,手上有剑,心中不慌。
不同特征拥有同名的方法是很正常的事情,你没有任何办法阻止这一点;甚至除了特征上的同名方法外,在你的类型上,也有同名方法:
trait Pilot {
fn fly(&self);
}
trait Wizard {
fn fly(&self);
}
struct Human;
impl Pilot for Human {
fn fly(&self) {
println!("This is your captain speaking.");
}
}
impl Wizard for Human {
fn fly(&self) {
println!("Up!");
}
}
impl Human {
fn fly(&self) {
println!("*waving arms furiously*");
}
}
这里,不仅仅两个特征 Pilot
和 Wizard
有 fly
方法,就连实现那两个特征的 Human
单元结构体,也拥有一个同名方法 fly
(这世界怎么了,非要这么卷吗?程序员何苦难为程序员,哎)。
既然代码已经不可更改,那下面我们来讲讲该如何调用这些 fly
方法。
当调用 Human
实例的 fly
时,编译器默认调用该类型中定义的方法:
fn main() {
let person = Human;
person.fly();
}
这段代码会打印 *waving arms furiously*
,说明直接调用了类型上定义的方法。
为了能够调用两个特征的方法,需要使用显式调用的语法:
fn main() {
let person = Human;
Pilot::fly(&person); // 调用Pilot特征上的方法
Wizard::fly(&person); // 调用Wizard特征上的方法
person.fly(); // 调用Human类型自身的方法
}
运行后依次输出:
This is your captain speaking.
Up!
*waving arms furiously*
因为 fly
方法的参数是 self
,当显式调用时,编译器就可以根据调用的类型( self
的类型)决定具体调用哪个方法。
这个时候问题又来了,如果方法没有 self
参数呢?稍等,估计有读者会问:还有方法没有 self
参数?看到这个疑问,作者的眼泪不禁流了下来,大明湖畔的关联函数,你还记得嘛?
但是成年人的世界,就算再伤心,事还得做,咱们继续:
trait Animal {
fn baby_name() -> String;
}
struct Dog;
impl Dog {
fn baby_name() -> String {
String::from("Spot")
}
}
impl Animal for Dog {
fn baby_name() -> String {
String::from("puppy")
}
}
fn main() {
println!("A baby dog is called a {}", Dog::baby_name());
}
就像人类妈妈会给自己的宝宝起爱称一样,狗妈妈也会。狗妈妈称呼自己的宝宝为Spot,其它动物称呼狗宝宝为puppy,这个时候假如有动物不知道该称如何呼狗宝宝,它需要查询一下。
Dog::baby_name()
的调用方式显然不行,因为这只是狗妈妈对宝宝的爱称,可能你会想到通过下面的方式查询其他动物对狗狗的称呼:
fn main() {
println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
}
铛铛,无情报错了:
error[E0283]: type annotations needed // 需要类型注释
--> src/main.rs:20:43
|
20 | println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^ cannot infer type // 无法推断类型
|
= note: cannot satisfy `_: Animal`
因为单纯从 Animal::baby_name()
上,编译器无法得到任何有效的信息:实现 Animal
特征的类型可能有很多,你究竟是想获取哪个动物宝宝的名称?狗宝宝?猪宝宝?还是熊宝宝?
此时,就需要使用完全限定语法。
完全限定语法是调用函数最为明确的方式:
fn main() {
println!("A baby dog is called a {}", <Dog as Animal>::baby_name());
}
在尖括号中,通过 as
关键字,我们向 Rust 编译器提供了类型注解,也就是 Animal
就是 Dog
,而不是其他动物,因此最终会调用 impl Animal for Dog
中的方法,获取到其它动物对狗宝宝的称呼:puppy。
言归正题,完全限定语法定义为:
<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);
上面定义中,第一个参数是方法接收器 receiver
(三种 self
),只有方法才拥有,例如关联函数就没有 receiver
。
完全限定语法可以用于任何函数或方法调用,那么我们为何很少用到这个语法?原因是 Rust 编译器能根据上下文自动推导出调用的路径,因此大多数时候,我们都无需使用完全限定语法。只有当存在多个同名函数或方法,且 Rust 无法区分出你想调用的目标函数时,该用法才能真正有用武之地。
有时,我们会需要让某个特征 A 能使用另一个特征 B 的功能(另一种形式的特征约束),这种情况下,不仅仅要为类型实现特征 A,还要为类型实现特征 B 才行,这就是 supertrait
(实在不知道该如何翻译,有大佬指导下嘛?)
例如有一个特征 OutlinePrint
,它有一个方法,能够对当前的实现类型进行格式化输出:
use std::fmt::Display;
trait OutlinePrint: Display {
fn outline_print(&self) {
let output = self.to_string();
let len = output.len();
println!("{}", "*".repeat(len + 4));
println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
println!("* {} *", output);
println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
println!("{}", "*".repeat(len + 4));
}
}
等等,这里有一个眼熟的语法: OutlinePrint: Display
,感觉很像之前讲过的特征约束,只不过用在了特征定义中而不是函数的参数中,是的,在某种意义上来说,这和特征约束非常类似,都用来说明一个特征需要实现另一个特征,这里就是:如果你想要实现 OutlinePrint
特征,首先你需要实现 Display
特征。
想象一下,假如没有这个特征约束,那么 self.to_string
还能够调用吗( to_string
方法会为实现 Display
特征的类型自动实现)?编译器肯定是不愿意的,会报错说当前作用域中找不到用于 &Self
类型的方法 to_string
:
struct Point {
x: i32,
y: i32,
}
impl OutlinePrint for Point {}
因为 Point
没有实现 Display
特征,会得到下面的报错:
error[E0277]: the trait bound `Point: std::fmt::Display` is not satisfied
--> src/main.rs:20:6
|
20 | impl OutlinePrint for Point {}
| ^^^^^^^^^^^^ `Point` cannot be formatted with the default formatter;
try using `:?` instead if you are using a format string
|
= help: the trait `std::fmt::Display` is not implemented for `Point`
既然我们有求于编译器,那只能选择满足它咯:
use std::fmt;
impl fmt::Display for Point {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
write!(f, "({}, {})", self.x, self.y)
}
}
上面代码为 Point
实现了 Display
特征,那么 to_string
方法也将自动实现:最终获得字符串是通过这里的 fmt
方法获得的。
在特征章节中,有提到孤儿规则,简单来说,就是特征或者类型必需至少有一个是本地的,才能在此类型上定义特征。
这里提供一个办法来绕过孤儿规则,那就是使用newtype 模式,简而言之:就是为一个元组结构体创建新类型。该元组结构体封装有一个字段,该字段就是希望实现特征的具体类型。
该封装类型是本地的,因此我们可以为此类型实现外部的特征。
newtype
不仅仅能实现以上的功能,而且它在运行时没有任何性能损耗,因为在编译期,该类型会被自动忽略。
下面来看一个例子,我们有一个动态数组类型: Vec<T>
,它定义在标准库中,还有一个特征 Display
,它也定义在标准库中,如果没有 newtype
,我们是无法为 Vec<T>
实现 Display
的:
error[E0117]: only traits defined in the current crate can be implemented for arbitrary types
--> src/main.rs:5:1
|
5 | impl<T> std::fmt::Display for Vec<T> {
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^------
| | |
| | Vec is not defined in the current crate
| impl doesn't use only types from inside the current crate
|
= note: define and implement a trait or new type instead
编译器给了我们提示: define and implement a trait or new type instead
,重新定义一个特征,或者使用 new type
,前者当然不可行,那么来试试后者:
use std::fmt;
struct Wrapper(Vec<String>);
impl fmt::Display for Wrapper {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
write!(f, "[{}]", self.0.join(", "))
}
}
fn main() {
let w = Wrapper(vec![String::from("hello"), String::from("world")]);
println!("w = {}", w);
}
其中,struct Wrapper(Vec<String>)
就是一个元组结构体,它定义了一个新类型 Wrapper
,代码很简单,相信大家也很容易看懂。
既然 new type
有这么多好处,它有没有不好的地方呢?答案是肯定的。注意到我们怎么访问里面的数组吗?self.0.join(", ")
,是的,很啰嗦,因为需要先从 Wrapper
中取出数组: self.0
,然后才能执行 join
方法。
类似的,任何数组上的方法,你都无法直接调用,需要先用 self.0
取出数组,然后再进行调用。
当然,解决办法还是有的,要不怎么说 Rust 是极其强大灵活的编程语言!Rust 提供了一个特征叫 Deref
,实现该特征后,可以自动做一层类似类型转换的操作,可以将 Wrapper
变成 Vec<String>
来使用。这样就会像直接使用数组那样去使用 Wrapper
,而无需为每一个操作都添加上 self.0
。
同时,如果不想 Wrapper
暴漏底层数组的所有方法,我们还可以为 Wrapper
去重载这些方法,实现隐藏的目的。
关联类型主要用于提升代码的可读性,例如以下代码 :
pub trait CacheableItem: Clone + Default + fmt::Debug + Decodable + Encodable {
type Address: AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash;
fn is_null(&self) -> bool;
}
相比 AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash
, Address
的使用可以极大的减少其它类型在实现该特征时所需的模版代码.
struct Container(i32, i32);
// 使用关联类型实现重新实现以下特征
// trait Contains {
// type A;
// type B;
trait Contains<A, B> {
fn contains(&self, _: &A, _: &B) -> bool;
fn first(&self) -> i32;
fn last(&self) -> i32;
}
impl Contains<i32, i32> for Container {
fn contains(&self, number_1: &i32, number_2: &i32) -> bool {
(&self.0 == number_1) && (&self.1 == number_2)
}
// Grab the first number.
fn first(&self) -> i32 { self.0 }
// Grab the last number.
fn last(&self) -> i32 { self.1 }
}
fn difference<A, B, C: Contains<A, B>>(container: &C) -> i32 {
container.last() - container.first()
}
fn main() {
let number_1 = 3;
let number_2 = 10;
let container = Container(number_1, number_2);
println!("Does container contain {} and {}: {}",
&number_1, &number_2,
container.contains(&number_1, &number_2));
println!("First number: {}", container.first());
println!("Last number: {}", container.last());
println!("The difference is: {}", difference(&container));
}
运行
Does container contain 3 and 10: true
First number: 3
Last number: 10
The difference is: 7
✅修改:
struct Container(i32, i32);
// 使用关联类型实现重新实现以下特征
trait Contains {
type A;
type B;
fn contains(&self, _: &Self::A, _: &Self::B) -> bool;
fn first(&self) -> i32;
fn last(&self) -> i32;
}
impl Contains for Container {
type A = i32;
type B = i32;
fn contains(&self, number_1: &i32, number_2: &i32) -> bool {
(&self.0 == number_1) && (&self.1 == number_2)
}
// Grab the first number.
fn first(&self) -> i32 { self.0 }
// Grab the last number.
fn last(&self) -> i32 { self.1 }
}
fn difference<C: Contains>(container: &C) -> i32 {
container.last() - container.first()
}
fn main() {
let number_1 = 3;
let number_2 = 10;
let container = Container(number_1, number_2);
println!("Does container contain {} and {}: {}",
&number_1, &number_2,
container.contains(&number_1, &number_2));
println!("First number: {}", container.first());
println!("Last number: {}", container.last());
println!("The difference is: {}", difference(&container));
}
当我们使用泛型类型参数时,可以为该泛型参数指定一个具体的默认类型,这样当实现该特征时,如果该默认类型可以使用,那用户再无需手动指定具体的类型。
use std::ops::Sub;
#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point<T> {
x: T,
y: T,
}
// 用三种方法填空: 其中两种使用默认的泛型参数,另外一种不使用
impl __ {
type Output = Self;
fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
Point {
x: self.x - other.x,
y: self.y - other.y,
}
}
}
fn main() {
assert_eq!(Point { x: 2, y: 3 } - Point { x: 1, y: 0 },
Point { x: 1, y: 3 });
println!("Success!")
}
✅修改1:
use std::ops::Sub;
#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point<T> {
x: T,
y: T,
}
// 用三种方法填空: 其中两种使用默认的泛型参数,另外一种不使用
impl <T: Sub<T, Output = T>> Sub<Point<T>> for Point<T> {
type Output = Self;
fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
Point {
x: self.x - other.x,
y: self.y - other.y,
}
}
}
fn main() {
assert_eq!(Point { x: 2, y: 3 } - Point { x: 1, y: 0 },
Point { x: 1, y: 3 });
println!("Success!")
}
✅修改2:
impl<T: Sub<Output = T>> Sub<Self> for Point<T> {
type Output = Self;
fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
Point {
x: self.x - other.x,
y: self.y - other.y,
}
}
}
✅修改3:
impl<T: Sub<Output = T>> Sub for Point<T> {
type Output = Self;
fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
Point {
x: self.x - other.x,
y: self.y - other.y,
}
}
}
在 Rust 中,两个不同特征的方法完全可以同名,且你可以为同一个类型同时实现这两个特征。这种情况下,就出现了一个问题:该如何调用这两个特征上定义的同名方法。为了解决这个问题,我们需要使用完全限定语法( Fully Qualified Syntax )。
trait Pilot {
fn fly(&self) -> String;
}
trait Wizard {
fn fly(&self) -> String;
}
struct Human;
impl Pilot for Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("This is your captain speaking.")
}
}
impl Wizard for Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("Up!")
}
}
impl Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("*waving arms furiously*")
}
}
fn main() {
let person = Human;
assert_eq!(__, "This is your captain speaking.");
assert_eq!(__, "Up!");
assert_eq!(__, "*waving arms furiously*");
println!("Success!")
}
✅修改:
trait Pilot {
fn fly(&self) -> String;
}
trait Wizard {
fn fly(&self) -> String;
}
struct Human;
impl Pilot for Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("This is your captain speaking.")
}
}
impl Wizard for Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("Up!")
}
}
impl Human {
fn fly(&self) -> String {
String::from("*waving arms furiously*")
}
}
fn main() {
let person = Human;
assert_eq!(Pilot::fly(&person), "This is your captain speaking.");
assert_eq!(Wizard::fly(&person), "Up!");
assert_eq!(person.fly(), "*waving arms furiously*");
println!("Success!")
}
有些时候我们希望在特征上实现类似继承的特性,例如让一个特征 A 使用另一个特征 B 的功能。这种情况下,一个类型要实现特征 A 首先要实现特征 B, 特征 B 就被称为 supertrait
trait Person {
fn name(&self) -> String;
}
// Person 是 Student 的 supertrait .
// 实现 Student 需要同时实现 Person.
trait Student: Person {
fn university(&self) -> String;
}
trait Programmer {
fn fav_language(&self) -> String;
}
// CompSciStudent (computer science student) 是 Programmer
// 和 Student 的 subtrait. 实现 CompSciStudent 需要先实现这两个 supertraits.
trait CompSciStudent: Programmer + Student {
fn git_username(&self) -> String;
}
fn comp_sci_student_greeting(student: &dyn CompSciStudent) -> String {
format!(
"My name is {} and I attend {}. My favorite language is {}. My Git username is {}",
student.name(),
student.university(),
student.fav_language(),
student.git_username()
)
}
struct CSStudent {
name: String,
university: String,
fav_language: String,
git_username: String
}
// 为 CSStudent 实现所需的特征
impl ...
fn main() {
let student = CSStudent {
name: "Sunfei".to_string(),
university: "XXX".to_string(),
fav_language: "Rust".to_string(),
git_username: "sunface".to_string()
};
// 填空
println!("{}", comp_sci_student_greeting(__));
}
✅修改:
trait Person {
fn name(&self) -> String;
}
// Person 是 Student 的 supertrait .
// 实现 Student 需要同时实现 Person.
trait Student: Person {
fn university(&self) -> String;
}
trait Programmer {
fn fav_language(&self) -> String;
}
// CompSciStudent (computer science student) 是 Programmer
// 和 Student 的 subtrait. 实现 CompSciStudent 需要先实现这两个 supertraits.
trait CompSciStudent: Programmer + Student {
fn git_username(&self) -> String;
}
fn comp_sci_student_greeting(student: &dyn CompSciStudent) -> String {
format!(
"My name is {} and I attend {}. My favorite language is {}. My Git username is {}",
student.name(),
student.university(),
student.fav_language(),
student.git_username()
)
}
struct CSStudent {
name: String,
university: String,
fav_language: String,
git_username: String
}
// 为 CSStudent 实现所需的特征
impl Person for CSStudent{
fn name(&self) -> String{
self.university.clone()
}
}
impl Student for CSStudent{
fn university(&self) -> String{
self.university.clone()
}
}
impl Programmer for CSStudent{
fn fav_language(&self) -> String{
self.fav_language.clone()
}
}
impl CompSciStudent for CSStudent{
fn git_username(&self) -> String{
self.git_username.clone()
}
}
fn main() {
let student = CSStudent {
name: "Sunfei".to_string(),
university: "XXX".to_string(),
fav_language: "Rust".to_string(),
git_username: "sunface".to_string()
};
// 填空
println!("{}", comp_sci_student_greeting(&student));
}
关于孤儿原则的详细介绍请参见特征定义与实现的位置孤儿规则 和 在外部类型上实现外部特征。
use std::fmt;
// 定义一个 newtype `Pretty`
impl fmt::Display for Pretty {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
write!(f, "\"{}\"", self.0.clone() + ", world")
}
}
fn main() {
let w = Pretty("hello".to_string());
println!("w = {}", w);
}
✅修改:
use std::fmt;
// 定义一个 newtype `Pretty`
struct Pretty(String);
impl fmt::Display for Pretty {
fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
write!(f, "\"{}\"", self.0.clone() + ", world")
}
}
fn main() {
let w = Pretty("hello".to_string());
println!("w = {}", w);
}