泛型、trait 与生命周期 - trait：定义共享的行为

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2023-12-01

trait 允许我们进行另一种抽象：他们让我们可以抽象类型所通用的行为。trait 告诉 Rust 编译器某个特定类型拥有可能与其他类型共享的功能。在使用泛型类型参数的场景中，可以使用 trait bounds 在编译时指定泛型可以是任何实现了某个 trait 的类型，并由此在这个场景下拥有我们希望的功能。

注意：trait 类似于其他语言中的常被称为接口（interfaces）的功能，虽然有一些不同。

一个类型的行为由其可供调用的方法构成。如果可以对不同类型调用相同的方法的话，这些类型就可以共享相同的行为了。trait 定义是一种将方法签名组合起来的方法，目的是定义一个实现某些目的所必需的行为的集合。

例如，这里有多个存放了不同类型和属性文本的结构体：结构体用于存放发生于世界各地的新闻故事，而结构体 Tweet 最多只能存放 140 个字符的内容，以及像是否转推或是否是对推友的回复这样的元数据。

我们想要创建一个多媒体聚合库用来显示可能储存在 NewsArticle 或 Tweet 实例中的数据的总结。每一个结构体都需要的行为是他们是能够被总结的，这样的话就可以调用实例的 summary 方法来请求总结。示例 10-12 中展示了一个表现这个概念的 Summarizable trait 的定义：

文件名: lib.rs

示例 10-12：Summarizable trait 定义，它包含由 summary 方法提供的行为

使用 trait 关键字来声明一个 trait，后面是 trait 的名字，在这个例子中是 Summarizable。在大括号中声明描述实现这个 trait 的类型所需要的行为的方法签名，在这个例子中是是 fn summary(&self) -> String。在方法签名后跟分号，而不是在大括号中提供其实现。接着每一个实现这个 trait 的类型都需要提供其自定义行为的方法体，编译器也会确保任何实现 Summarizable trait 的类型都拥有与这个签名的定义完全一致的 summary 方法。

trait 体中可以有多个方法，一行一个方法签名且都以分号结尾。

为类型实现 trait

现在我们定义了 Summarizable trait，接着就可以在多媒体聚合库中需要拥有这个行为的类型上实现它了。示例 10-13 中展示了 NewsArticle 结构体上 Summarizable trait 的一个实现，它使用标题、作者和创建的位置作为 summary 的返回值。对于 Tweet 结构体，我们选择将 summary 定义为用户名后跟推文的全部文本作为返回值，并假设推文内容已经被限制为 140 字符以内。

文件名: lib.rs

# pub trait Summarizable {
#     fn summary(&self) -> String;
# }
#
pub struct NewsArticle {
    pub headline: String,
    pub location: String,
    pub author: String,
    pub content: String,
}
impl Summarizable for NewsArticle {
    fn summary(&self) -> String {
        format!("{}, by {} ({})", self.headline, self.author, self.location)
    }
}
pub struct Tweet {
    pub username: String,
    pub content: String,
    pub reply: bool,
    pub retweet: bool,
}
impl Summarizable for Tweet {
    fn summary(&self) -> String {
        format!("{}: {}", self.username, self.content)
    }
}

示例 10-13：在 NewsArticle 和 Tweet 类型上实现 Summarizable trait

在类型上实现 trait 类似于实现与 trait 无关的方法。区别在于 impl 关键字之后，我们提供需要实现 trait 的名称，接着是 for 和需要实现 trait 的类型的名称。在 impl 块中，使用 trait 定义中的方法签名，不过不再后跟分号，而是需要在大括号中编写函数体来为特定类型实现 trait 方法所拥有的行为。

一旦实现了 trait，我们就可以用与 NewsArticle 和 Tweet 实例的非 trait 方法一样的方式调用 trait 方法了：

let tweet = Tweet {
    username: String::from("horse_ebooks"),
    content: String::from("of course, as you probably already know, people"),
    reply: false,
    retweet: false,
};
println!("1 new tweet: {}", tweet.summary());

这会打印出 1 new tweet: horse_ebooks: of course, as you probably already know, people。

注意因为示例 10-13 中我们在相同的 lib.rs 里定义了 Summarizable trait 和 NewsArticle 与 Tweet 类型，所以他们是位于同一作用域的。如果这个 lib.rs 是对应 aggregator crate 的，而别人想要利用我们 crate 的功能外加为其 WeatherForecast 结构体实现 Summarizable trait，在实现 Summarizable trait 之前他们首先就需要将其导入其作用域中，如示例 10-14 所示：

文件名: lib.rs

extern crate aggregator;
use aggregator::Summarizable;
struct WeatherForecast {
    high_temp: f64,
    low_temp: f64,
    chance_of_precipitation: f64,
}
    fn summary(&self) -> String {
        format!("The high will be {}, and the low will be {}. The chance of
        precipitation is {}%.", self.high_temp, self.low_temp,
        self.chance_of_precipitation)
    }
}

另外这段代码假设 Summarizable 是一个公有 trait，这是因为示例 10-12 中 trait 之前使用了 pub 关键字。

trait 实现的一个需要注意的限制是：只能在 trait 或对应类型位于我们 crate 本地的时候为其实现 trait。换句话说，不允许对外部类型实现外部 trait。例如，不能在 Vec 上实现 Display trait，因为 Display 和 Vec 都定义于标准库中。允许在像 Tweet 这样作为我们 aggregatorcrate 部分功能的自定义类型上实现标准库中的 trait Display。也允许在 aggregatorcrate 中为 Vec 实现 Summarizable，因为 Summarizable 定义于此。这个限制是我们称为 孤儿规则（orphan rule）的一部分，如果你感兴趣的可以在类型理论中找到它。简单来说，它被称为 orphan rule 是因为其父类型不存在。没有这条规则的话，两个 crate 可以分别对相同类型实现相同的 trait，因而这两个实现会相互冲突：Rust 将无从得知应该使用哪一个。因为 Rust 强制执行 orphan rule，其他人编写的代码不会破坏你代码，反之亦是如此。

有时为 trait 中的某些或全部方法提供默认的行为，而不是在每个类型的每个实现中都定义自己的行为是很有用的。这样当为某个特定类型实现 trait 时，可以选择保留或重载每个方法的默认行为。

示例 10-15 中展示了如何为 Summarize trait 的 summary 方法指定一个默认的字符串值，而不是像示例 10-12 中那样只是定义方法签名：

文件名: lib.rs


    fn summary(&self) -> String {
        String::from("(Read more...)")
    }
}

示例 10-15：Summarizable trait 的定义，带有一个 summary 方法的默认实现

如果想要对 NewsArticle 实例使用这个默认实现，而不是像示例 10-13 中那样定义一个自己的实现，则可以指定一个空的 impl 块：

impl Summarizable for NewsArticle {}

即便选择不再直接为 NewsArticle 定义 summary 方法了，因为 summary 方法有一个默认实现而且 NewsArticle 被指定为实现了 Summarizable trait，我们仍然可以对 NewsArticle 的实例调用 summary 方法：

这段代码会打印 New article available! (Read more...)。

将 Summarizable trait 改变为拥有默认 summary 实现并不要求对示例 10-13 中 Tweet 和示例 10-14 中 WeatherForecast 的 Summarizable 实现做任何改变：重载一个默认实现的语法与实现没有默认实现的 trait 方法时完全一样的。

默认实现允许调用相同 trait 中的其他方法，哪怕这些方法没有默认实现。通过这种方法，trait 可以实现很多有用的功能而只需实现一小部分特定内容。我们可以选择让Summarizable trait 也拥有一个要求实现的author_summary 方法，接着 summary 方法则提供默认实现并调用 author_summary 方法：

pub trait Summarizable {
    fn author_summary(&self) -> String;
    fn summary(&self) -> String {
        format!("(Read more from {}...)", self.author_summary())
    }
}

为了使用这个版本的 Summarizable，只需在实现 trait 时定义 author_summary 即可：

impl Summarizable for Tweet {
    fn author_summary(&self) -> String {
        format!("@{}", self.username)
    }
}

一旦定义了 author_summary，我们就可以对 Tweet 结构体的实例调用 summary 了，而 summary 的默认实现会调用我们提供的 author_summary 定义。

let tweet = Tweet {
    username: String::from("horse_ebooks"),
    content: String::from("of course, as you probably already know, people"),
    reply: false,
    retweet: false,
};
println!("1 new tweet: {}", tweet.summary());

这会打印出 1 new tweet: (Read more from @horse_ebooks...)。

注意在重载过的实现中调用默认实现是不可能的。

Trait Bounds

现在我们定义了 trait 并在类型上实现了这些 trait，也可以对泛型类型参数使用 trait。我们可以限制泛型不再适用于任何类型，编译器会确保其被限制为那些实现了特定 trait 的类型，由此泛型就会拥有我们希望其类型所拥有的功能。这被称为指定泛型的 trait bounds。

例如在示例 10-13 中为 NewsArticle 和 Tweet 类型实现了 Summarizable trait。我们可以定义一个函数 notify 来调用 summary 方法，它拥有一个泛型类型 T 的参数 item。为了能够在 item 上调用 summary 而不出现错误，我们可以在 T 上使用 trait bounds 来指定 item 必须是实现了 Summarizable trait 的类型：

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

可以通过 + 来为泛型指定多个 trait bounds。如果我们需要能够在函数中使用 T 类型的显示格式的同时也能使用 summary 方法，则可以使用 trait bounds T: Summarizable + Display。这意味着 T 可以是任何实现了 Summarizable 和 Display 的类型。

对于拥有多个泛型类型参数的函数，每一个泛型都可以有其自己的 trait bounds。在函数名和参数列表之间的尖括号中指定很多的 trait bound 信息将是难以阅读的，所以有另外一个指定 trait bounds 的语法，它将其移动到函数签名后的 where 从句中。所以相比这样写：

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

我们也可以使用 where 从句：

这就显得不那么杂乱，同时也使这个函数看起来更像没有很多 trait bounds 的函数。这时函数名、参数列表和返回值类型都离得很近。

所以任何想要对泛型使用 trait 定义的行为的时候，都需要在泛型参数类型上指定 trait bounds。现在我们就可以修复示例 10-5 中那个使用泛型类型参数的 largest 函数定义了！当我们将其放置不管的时候，它会出现这个错误：

error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T`
  |
5 |         if item > largest {
  |            ^^^^
  |
note: an implementation of `std::cmp::PartialOrd` might be missing for `T`

在 largest 函数体中我们想要使用大于运算符比较两个 T 类型的值。这个运算符被定义为标准库中 trait std::PartialOrd 的一个默认方法。所以为了能够使用大于运算符，需要在 T 的 trait bounds 中指定 PartialOrd，这样 largest 函数可以用于任何可以比较大小的类型的 slice。因为 PartialOrd 位于 prelude 中所以并不需要手动将其引入作用域。

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

但是如果编译代码的话，会出现不同的错误：

error[E0508]: cannot move out of type `[T]`, a non-copy array
 --> src/main.rs:4:23
  |
4 |     let mut largest = list[0];
  |         -----------   ^^^^^^^ cannot move out of here
  |         |
  |         hint: to prevent move, use `ref largest` or `ref mut largest`
error[E0507]: cannot move out of borrowed content
 --> src/main.rs:6:9
  |         ^----
  |         ||
  |         |hint: to prevent move, use `ref item` or `ref mut item`
  |         cannot move out of borrowed content

错误的核心是 cannot move out of type [T], a non-copy array，对于非泛型版本的 largest 函数，我们只尝试了寻找最大的 i32 和 char。正如第四章讨论过的，像 i32 和 char 这样的类型是已知大小的并可以储存在栈上，所以他们实现了 Copy trait。当我们将 largest 函数改成使用泛型后，现在 list 参数的类型就有可能是没有实现 Copy trait 的，这意味着我们可能不能将 list[0] 的值移动到 largest 变量中。

如果只想对实现了 Copy 的类型调用这些代码，可以在 T 的 trait bounds 中增加 Copy！示例 10-16 中展示了一个可以编译的泛型版本的 largest 函数的完整代码，只要传递给 largest 的 slice 值的类型实现了 PartialOrd 和 Copy 这两个 trait，例如 i32 和 char：

文件名: src/main.rs

fn largest<T: PartialOrd + Copy>(list: &[T]) -> T {
    let mut largest = list[0];
    for &item in list.iter() {
        if item > largest {
            largest = item;
        }
    }
    largest
}
fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];
    let result = largest(&number_list);
    println!("The largest number is {}", result);
    let char_list = vec!['y', 'm', 'a', 'q'];
    let result = largest(&char_list);
    println!("The largest char is {}", result);
}

示例 10-16：一个可以用于任何实现了 PartialOrd 和 Copy trait 的泛型的 largest 函数

如果并不希望限制 largest 函数只能用于实现了 Copy trait 的类型，我们可以在 T 的 trait bounds 中指定 Clone 而不是 Copy，并克隆 slice 的每一个值使得 largest 函数拥有其所有权。但是使用 clone 函数潜在意味着更多的堆分配，而且堆分配在涉及大量数据时可能会相当缓慢。另一种 largest 的实现方式是返回 slice 中一个 T 值的引用。如果我们将函数返回值从 T 改为 &T 并改变函数体使其能够返回一个引用，我们将不需要任何 Clone 或 Copy 的 trait bounds 而且也不会有任何的堆分配。尝试自己实现这种替代解决方式吧！

使用 trait bound 有条件的实现方法

通过使用带有 trait bound 的泛型 impl 块，可以有条件的只为实现了特定 trait 的类型实现方法。例如，示例 10-17 中的类型 Pair<T> 总是实现了 new 方法，不过只有 Pair<T> 内部的 T 类型实现了 PartialOrd trait 来允许比较和 Display trait 来启用打印，才会实现 cmp_display：

use std::fmt::Display;
struct Pair<T> {
    x: T,
    y: T,
}
impl<T> Pair<T> {
    fn new(x: T, y: T) -> Self {
        Self {
            x,
            y,
        }
    }
}
impl<T: Display + PartialOrd> Pair<T> {
    fn cmp_display(&self) {
        if self.x >= self.y {
            println!("The largest member is x = {}", self.x);
        } else {
            println!("The largest member is y = {}", self.y);
        }
    }
}

示例 10-17：根据 trait bound 在泛型上有条件的实现方法

也可以对任何实现了特定 trait 的类型有条件的实现 trait。对任何满足特定 trait bound 的类型实现 trait 被称为 blanket implementations，他们被广泛的用于 Rust 标准库中。例如，标准库为任何实现了 Display trait 的类型实现了 ToString trait。这个 impl 块看起来像这样：

因为标准库有了这些 blanket implementation，我们可以对任何实现了 Display trait 的类型调用由 ToString 定义的 to_string 方法。例如，可以将整型转换为对应的 String 值，因为整型实现了 Display：

blanket implementation 会出现在 trait 文档的 “Implementers” 部分。

这里还有一种泛型，我们一直在使用它甚至都没有察觉它的存在，这就是 生命周期（lifetimes）。不同于其他泛型帮助我们确保类型拥有期望的行为，生命周期则有助于确保引用在我们需要他们的时候一直有效。让我们学习生命周期是如何做到这些的。