模块和包系统、Prelude - 模块 module 和包 crate

优质

小牛编辑

136浏览

2023-12-01

包（crate）

Rust 中，crate 是一个独立的可编译单元。具体说来，就是一个或一批文件（如果是一批文件，那么有一个文件是这个 crate 的入口）。它编译后，会对应着生成一个可执行文件或一个库。

执行 cargo new foo，会得到如下目录层级：

foo
├── Cargo.toml
└── src
    └── lib.rs

这里，lib.rs 就是一个 crate（入口），它编译后是一个库。一个工程下可以包含不止一个 crate，本工程只有一个。

执行 cargo new --bin bar，会得到如下目录层级：

bar
├── Cargo.toml
└── src
    └── main.rs

这里，main.rs 就是一个 crate（入口），它编译后是一个可执行文件。

模块（module）

Rust 提供了一个关键字 mod，它可以在一个文件中定义一个模块，或者引用另外一个文件中的模块。

关于模块的一些要点：

每个 crate 中，默认实现了一个隐式的 根模块（root module）；
模块的命名风格也是 lower_snake_case，跟其它的 Rust 的标识符一样；
模块可以嵌套；
模块中可以写任何合法的 Rust 代码；

在文件中定义一个模块

比如，在上述 lib.rs 中，我们写上如下代码：

mod aaa {
    const X: i32 = 10;
    fn print_aaa() {
        println!("{}", 42);
    }
}

我们可以继续写如下代码：

mod aaa {
    const X: i32 = 10;
    fn print_aaa() {
        println!("{}", 42);
    }
    mod BBB {
        fn print_bbb() {
            println!("{}", 37);
        }
    }
}

还可以继续写：

mod aaa {
    const X: i32 = 10;
    fn print_aaa() {
        println!("{}", 42);
    }
    mod bbb {
        fn print_bbb() {
            println!("{}", 37);
        }
    }
}
mod ccc {
    fn print_ccc() {
        println!("{}", 25);
    }
}

模块的可见性

我们前面写了一些模块，但实际上，我们写那些模块，目前是没有什么作用的。写模块的目的一是为了分隔逻辑块，二是为了提供适当的函数，或对象，供外部访问。而模块中的内容，默认是私有的，只有模块内部能访问。

为了让外部能使用模块中 item，需要使用 pub 关键字。外部引用的时候，使用 use 关键字。例如：

mod ccc {
    pub fn print_ccc() {
        println!("{}", 25);
    }
}
fn main() {
    use ccc::print_ccc;
    print_ccc();
    // 或者
    ccc::print_ccc();
}

规则很简单，一个 item（函数，绑定，Trait 等），前面加了 pub，那么就它变成对外可见（访问，调用）的了。

引用外部文件模块

通常，我们会在单独的文件中写模块内容，然后使用 mod 关键字来加载那个文件作为我们的模块。

比如，我们在 src 下新建了文件 aaa.rs。现在目录结构是下面这样子：

foo
├── Cargo.toml
└── src
    └── aaa.rs
    └── main.rs

我们在 aaa.rs 中，写上：

pub fn print_aaa() {
    println!("{}", 25);
}

在 main.rs 中，写上：

mod aaa;
use aaa::print_aaa;
fn main () {
    print_aaa();
}

编译后，生成一个可执行文件。

细心的朋友会发现，aaa.rs 中，没有使用 mod xxx {} 这样包裹起来，是因为 mod xxx; 相当于把 xxx.rs 文件用 mod xxx {} 包裹起来了。初学者往往会多加一层，请注意。

多文件模块的层级关系

Rust 的模块支持层级结构，但这种层级结构本身与文件系统目录的层级结构是解耦的。

mod xxx; 这个 xxx 不能包含 :: 号。也即在这个表达形式中，是没法引用多层结构下的模块的。也即，你不可能直接使用 mod a::b::c::d; 的形式来引用 a/b/c/d.rs 这个模块。

那么，Rust 的多层模块遵循如下两条规则：

优先查找xxx.rs 文件
1. main.rs、lib.rs、mod.rs中的mod xxx; 默认优先查找同级目录下的 xxx.rs 文件；
2. 其他文件yyy.rs中的mod xxx;默认优先查找同级目录的yyy目录下的 xxx.rs 文件；
如果 xxx.rs 不存在，则查找 xxx/mod.rs 文件，即 xxx 目录下的 mod.rs 文件。

上述两种情况，加载成模块后，效果是相同的。Rust 就凭这两条规则，通过迭代使用，结合 pub 关键字，实现了对深层目录下模块的加载；

下面举个例子，现在我们建了一个测试工程，目录结构如下：

src
├── a
│   ├── b
│   │   ├── c
│   │   │   ├── d.rs
│   │   │   └── mod.rs
│   │   └── mod.rs
│   └── mod.rs
└── main.rs

a/b/c/d.rs 文件内容：

pub fn print_ddd() {
    println!("i am ddd.");
}

a/b/c/mod.rs 文件内容：

pub mod d;

a/b/mod.rs 文件内容：

pub mod c;

a/mod.rs 文件内容：

pub mod b;

main.rs 文件内容：

mod a;
use a::b::c::d;
fn main() {
    d::print_ddd();
}

输出结果为：i am ddd.

仔细理解本例子，就明白 Rust 的层级结构模块的用法了。

至于为何 Rust 要这样设计，有几下几个原因：

Rust 本身模块的设计是与操作系统文件系统目录解耦的，因为 Rust 本身可用于操作系统的开发；
Rust 中的一个文件内，可包含多个模块，直接将 a::b::c::d 映射到 a/b/c/d.rs 会引起一些歧义；
Rust 一切从安全性、显式化立场出发，要求引用路径中的每一个节点，都是一个有效的模块，比如上例，d 是一个有效的模块的话，那么，要求 c, b, a 分别都是有效的模块，可单独引用。

路径

前面我们提到，一个 crate 是一个独立的可编译单元。它有一个入口文件，这个入口文件是这个 crate（里面可能包含若干个 module）的模块根路径。整个模块的引用，形成一个链，每个模块，都可以用一个精确的路径（比如：a::b::c::d）来表示；

与文件系统概念类似，模块路径也有相对路径和绝对路径的概念。为此，Rust 提供了 self 和 super 两个关键字。

self 在路径中，有两种意思：

use self::xxx 表示，加载当前模块中的 xxx。此时 self 可省略；
use xxx::{self, yyy}，表示，加载当前路径下模块 xxx 本身，以及模块 xxx 下的 yyy；

super 表示，当前模块路径的上一级路径，可以理解成父模块。

use super::xxx;

表示引用父模块中的 xxx。

另外，还有一种特殊的路径形式：

::xxx::yyy

它表示，引用根路径下的 xxx::yyy，这个根路径，指的是当前 crate 的根路径。

路径中的 * 符号：

use xxx::*;

表示导入 xxx 模块下的所有可见 item（加了 pub 标识的 item）。

Re-exporting

我们可以结合使用 pub use 来实现 Re-exporting。Re-exporting 的字面意思就是 重新导出。它的意思是这样的，把深层的 item 导出到上层目录中，使调用的时候，更方便。接口设计中会大量用到这个技术。

还是举上面那个 a::b::c::d 的例子。我们在 main.rs 中，要调用 d，得使用 use a::b::c::d; 来调用。而如果我们修改 a/mod.rs 文件为：
a/mod.rs 文件内容：

pub mod b;
pub use b::c::d;

那么，我们在 main.rs 中，就可以使用 use a::d; 来调用了。从这个例子来看没觉得方便多少。但是如果开发的一个库中有大量的内容，而且是在不同层次的模块中。那么，通过统一导出到一个地方，就能大大方便接口使用者。

加载外部 crate

前面我们讲的，都是在当前 crate 中的技术。真正我们在开发时，会大量用到外部库。外部库是通过

extern crate xxx;

这样来引入的。

注：要使上述引用生效，还必须在 Cargo.toml 的 dependecies 段，加上 xxx="version num" 这种依赖说明，详情见 Cargo 项目管理 这一章。

引入后，就相当于引入了一个符号 xxx，后面可以直接以这个 xxx 为根引用这个 crate 中的 item：

extern crate xxx;
use xxx::yyy::zzz;

引入的时候，可以通过 as 关键字重命名。

extern crate xxx as foo;
use foo::yyy::zzz;