特性

特性与接口

为了描述类型可以实现的抽象接口 (abstract interface)，
Rust引入了特性 (trait) 来定义函数类型签名 (function type signature)：

  1. trait HasArea {
  2.     fn area(&self) -> f64;
  3. }
  5. struct Circle {
  6.     x: f64,
  7.     y: f64,
  8.     radius: f64,
  9. }
  11. impl HasArea for Circle {
  12.     fn area(&self) -> f64 {
  13.         std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
  14.     }
  15. }
  17. struct Square {
  18.     x: f64,
  19.     y: f64,
  20.     side: f64,
  21. }
  23. impl HasArea for Square {
  24.     fn area(&self) -> f64 {
  25.         self.side * self.side
  26.     }
  27. }
  29. fn print_area<T: HasArea>(shape: T) {
  30.     println!("This shape has an area of {}", shape.area());
  31. }

其中函数print_area()中的泛型参数T被添加了一个名为HasArea的特性约束 (trait constraint)，
用以确保任何实现了HasArea的类型将拥有一个.area()方法。
如果需要多个特性限定 (multiple trait bounds)，可以使用+：

  1. use std::fmt::Debug;
  3. fn foo<T: Clone, K: Clone + Debug>(x: T, y: K) {
  4.     x.clone();
  5.     y.clone();
  6.     println!("{:?}", y);
  7. }
  9. fn bar<T, K>(x: T, y: K)
  10.     where T: Clone,
  11.           K: Clone + Debug
  12. {
  13.     x.clone();
  14.     y.clone();
  15.     println!("{:?}", y);
  16. }

其中第二个例子使用了更灵活的where从句，它还允许限定的左侧可以是任意类型，
而不仅仅是类型参数。

定义在特性中的方法称为默认方法 (default method)，可以被该特性的实现覆盖。
此外，特性之间也可以存在继承 (inheritance)：

  1. trait Foo {
  2.     fn foo(&self);
  4.     // default method
  5.     fn bar(&self) { println!("We called bar."); }
  6. }
  8. // inheritance
  9. trait FooBar : Foo {
  10.     fn foobar(&self);
  11. }
  13. struct Baz;
  15. impl Foo for Baz {
  16.     fn foo(&self) { println!("foo"); }
  17. }
  19. impl FooBar for Baz {
  20.     fn foobar(&self) { println!("foobar"); }
  21. }

如果两个不同特性的方法具有相同的名称，可以使用通用函数调用语法 (universal function call syntax)：

  1. // short-hand form
  2. Trait::method(args);
  4. // expanded form
  5. <Type as Trait>::method(args);

关于实现特性的几条限制：

  • 如果一个特性不在当前作用域内，它就不能被实现。
  • 不管是特性还是impl，都只能在当前的包装箱内起作用。
  • 带有特性约束的泛型函数使用单态化实现 (monomorphization)，
    所以它是静态派分的 (statically dispatched)。

下面列举几个非常有用的标准库特性：

  • Drop提供了当一个值退出作用域后执行代码的功能，它只有一个drop(&mut self)方法。
  • Borrow用于创建一个数据结构时把拥有和借用的值看作等同。
  • AsRef用于在泛型中把一个值转换为引用。
  • Deref<Target=T>用于把&U类型的值自动转换为&T类型。
  • Iterator用于在集合 (collection) 和惰性值生成器 (lazy value generator) 上实现迭代器。
  • Sized用于标记运行时长度固定的类型，而不定长的切片和特性必须放在指针后面使其运行时长度已知，
    比如&[T]和Box<Trait>。

泛型和多态

泛型 (generics) 在类型理论中称作参数多态 (parametric polymorphism)，
意为对于给定参数可以有多种形式的函数或类型。先看Rust中的一个泛型例子：

Option在rust标准库中的定义: 

  1. enum Option<T> {
  2.     Some(T),
  3.     None,
  4. }

Option的典型用法: 

  1. let x: Option<i32> = Some(5);
  2. let y: Option<f64> = Some(5.0f64);

其中<T>部分表明它是一个泛型数据类型。当然，泛型参数也可以用于函数参数和结构体域：

  1. // generic functions
  2. fn make_pair<T, U>(a: T, b: U) -> (T, U) {
  3.     (a, b)
  4. }
  5. let couple = make_pair("man", "female");
  7. // generic structs
  8. struct Point<T> {
  9.     x: T,
  10.     y: T,
  11. }
  12. let int_origin = Point { x: 0, y: 0 };
  13. let float_origin = Point { x: 0.0, y: 0.0 };

对于多态函数，存在两种派分 (dispatch) 机制：静态派分和动态派分。
前者类似于C++的模板，Rust会生成适用于指定类型的特殊函数，然后在被调用的位置进行替换，
好处是允许函数被内联调用，运行比较快，但是会导致代码膨胀 (code bloat)；
后者类似于Java或Go的interface，Rust通过引入特性对象 (trait object) 来实现，
在运行期查找虚表 (vtable) 来选择执行的方法。特性对象&Foo具有和特性Foo相同的名称，
通过转换 (casting) 或者强制多态化 (coercing) 一个指向具体类型的指针来创建。

当然，特性也可以接受泛型参数。但是，往往更好的处理方式是使用关联类型 (associated type)：

  1. // use generic parameters
  2. trait Graph<N, E> {
  3.     fn has_edge(&self, &N, &N) -> bool;
  4.     fn edges(&self, &N) -> Vec<E>;
  5. }
  7. fn distance<N, E, G: Graph<N, E>>(graph: &G, start: &N, end: &N) -> u32 {
  9. }
  11. // use associated types
  12. trait Graph {
  13.     type N;
  14.     type E;
  16.     fn has_edge(&self, &Self::N, &Self::N) -> bool;
  17.     fn edges(&self, &Self::N) -> Vec<Self::E>;
  18. }
  20. fn distance<G: Graph>(graph: &G, start: &G::N, end: &G::N) -> uint {
  22. }
  24. struct Node;
  26. struct Edge;
  28. struct SimpleGraph;
  30. impl Graph for SimpleGraph {
  31.     type N = Node;
  32.     type E = Edge;
  34.     fn has_edge(&self, n1: &Node, n2: &Node) -> bool {
  36.     }
  38.     fn edges(&self, n: &Node) -> Vec<Edge> {
  40.     }
  41. }
  43. let graph = SimpleGraph;
  44. let object = Box::new(graph) as Box<Graph<N=Node, E=Edge>>;