类型系统中的几个常见 Trait - Into/From 及其在 String 和 &str 互转上的应用

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2023-12-01

std::convert 下面，有两个 Trait，Into/From，它们是一对孪生姐妹。它们的作用是配合泛型，进行一些设计上的归一化处理。

它们的基本形式为： From<T> 和 Into<T>。

From

对于类型为 U 的对象 foo，如果它实现了 From<T>，那么，可以通过 let foo = U::from(bar) 来生成自己。这里，bar 是类型为 T 的对象。

下面举一例，因为 String 实现了 From<&str>，所以 String 可以从 &str 生成。

let string = "hello".to_string();
let other_string = String::from("hello");
assert_eq!(string, other_string);

Into

对于一个类型为 U: Into<T> 的对象 foo，Into 提供了一个函数：.into(self) -> T，调用 foo.into() 会消耗自己（转移资源所有权），生成类型为 T 的另一个新对象 bar。

这句话，说起来有点抽象。下面拿一个具体的实例来辅助理解。

fn is_hello<T: Into<Vec<u8>>>(s: T) {
   let bytes = b"hello".to_vec();
   assert_eq!(bytes, s.into());
}
let s = "hello".to_string();
is_hello(s);

因为 String 类型实现了 Into<Vec<u8>>。

下面拿一个实际生产中字符串作为函数参数的例子来说明。

在我们设计库的 API 的时候，经常会遇到一个恼人的问题，函数参数如果定为 String，则外部传入实参的时候，对字符串字面量，必须要做 .to_string() 或 .to_owned() 转换，参数一多，就是一件又乏味又丑的事情。（而反过来设计的话，对初学者来说，又会遇到一些生命周期的问题，比较麻烦，这个后面论述）

那存不存在一种方法，能够使传参又能够接受 String 类型，又能够接受 &str 类型呢？答案就是泛型。而仅是泛型的话，太宽泛。因此，标准库中，提供了 Into<T> 来为其做约束，以便方便而高效地达到我们的目的。

比如，我们有如下结构体：

struct Person {
    name: String,
}
impl Person {
    fn new (name: String) -> Person {
        Person { name: name }
    }
}

我们在调用的时候，是这样的：

let name = "Herman".to_string();
let person = Person::new(name);

如果直接写成：

let person = Person::new("Herman");

就会报类型不匹配的错误。

好了，下面 Into 出场。我们可以定义结构体为

struct Person {
    name: String,
}
impl Person {
    fn new<S: Into<String>>(name: S) -> Person {
        Person { name: name.into() }
    }
}

然后，调用的时候，下面两种写法都是可以的：

fn main() {
    let person = Person::new("Herman");
    let person = Person::new("Herman".to_string());
}

我们来仔细分析一下这一块的写法

impl Person {
    fn new<S: Into<String>>(name: S) -> Person {
        Person { name: name.into() }
    }
}

参数类型为 S，是一个泛型参数，表示可以接受不同的类型。S: Into<String> 表示 S 类型必须实现了 Into<String>（约束）。而 &str 类型，符合这个要求。因此 &str 类型可以直接传进来。

而 String 本身也是实现了 Into<String> 的。当然也可以直接传进来。

然后，下面 name: name.into() 这里也挺神秘的。它的作用是将 name 转换成 String 类型的另一个对象。当 name 是 &str 时，它会转换成 String 对象，会做一次字符串的拷贝（内存的申请、复制）。而当 name 本身是 String 类型时，name.into() 不会做任何转换，代价为零（有没有恍然大悟）。

根据参考资料，上述内容通过下面三式获得：

impl<'a> From<&'a str> for String {}
impl<T> From<T> for T {}
impl<T, U> Into<U> for T where U: From<T> {}