编程范式

Rust是一个多范式 (multi-paradigm) 的编译型语言。除了通常的结构化、命令式编程外，
还支持以下范式。

函数式编程

Rust使用闭包 (closure) 来创建匿名函数：

  1. let num = 5;
  2. let plus_num = |x: i32| x + num;

其中闭包plus_num借用了它作用域中的let绑定num。如果要让闭包获得所有权，
可以使用move关键字：

  1. let mut num = 5;
  3. { 
  4.     let mut add_num = move |x: i32| num += x;
  6.     add_num(5);
  7. }
  9. assert_eq!(5, num);

Rust 还支持高阶函数 (high order function)，允许把闭包作为参数来生成新的函数：

  1. fn add_one(x: i32) -> i32 { x + 1 }
  3. fn apply<F>(f: F, y: i32) -> i32
  4.     where F: Fn(i32) -> i32
  5. {
  6.     f(y) * y
  7. }
  9. fn factory(x: i32) -> Box<Fn(i32) -> i32> {
  10.     Box::new(move |y| x + y)
  11. }
  13. fn main() {
  14.     let transform: fn(i32) -> i32 = add_one;
  15.     let f0 = add_one(2i32) * 2;
  16.     let f1 = apply(add_one, 2);
  17.     let f2 = apply(transform, 2);
  18.     println!("{}, {}, {}", f0, f1, f2);
  20.     let closure = |x: i32| x + 1;
  21.     let c0 = closure(2i32) * 2;
  22.     let c1 = apply(closure, 2);
  23.     let c2 = apply(|x| x + 1, 2);
  24.     println!("{}, {}, {}", c0, c1, c2);
  26.     let box_fn = factory(1i32);
  27.     let b0 = box_fn(2i32) * 2;
  28.     let b1 = (*box_fn)(2i32) * 2;
  29.     let b2 = (&box_fn)(2i32) * 2;
  30.     println!("{}, {}, {}", b0, b1, b2);
  32.     let add_num = &(*box_fn);
  33.     let translate: &Fn(i32) -> i32 = add_num;
  34.     let z0 = add_num(2i32) * 2;
  35.     let z1 = apply(add_num, 2);
  36.     let z2 = apply(translate, 2);
  37.     println!("{}, {}, {}", z0, z1, z2);
  38. }

面向对象编程

Rust通过impl关键字在struct、enum或者trait对象上实现方法调用语法 (method call syntax)。
关联函数 (associated function) 的第一个参数通常为self参数，有3种变体：

  • self，允许实现者移动和修改对象，对应的闭包特性为FnOnce。
  • &self，既不允许实现者移动对象也不允许修改，对应的闭包特性为Fn。
  • &mut self，允许实现者修改对象但不允许移动，对应的闭包特性为FnMut。

不含self参数的关联函数称为静态方法 (static method)。

  1. struct Circle {
  2.     x: f64,
  3.     y: f64,
  4.     radius: f64,
  5. }
  7. impl Circle {
  8.     fn new(x: f64, y: f64, radius: f64) -> Circle {
  9.         Circle {
  10.             x: x,
  11.             y: y,
  12.             radius: radius,
  13.         }
  14.     }
  16.     fn area(&self) -> f64 {
  17.         std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
  18.     }
  19. }
  21. fn main() {
  22.     let c = Circle { x: 0.0, y: 0.0, radius: 2.0 };
  23.     println!("{}", c.area());
  25.     // use associated function and method chaining
  26.     println!("{}", Circle::new(0.0, 0.0, 2.0).area());
  27. }

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 (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>。

元编程

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：

  1. enum Option<T> {
  2.     Some(T),
  3.     None,
  4. }
  6. let x: Option<i32> = Some(5);
  7. 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>>;

Rust中的宏 (macro) 允许我们在语法级别上进行抽象。先来看vec!宏的实现：

  1. macro_rules! vec {
  2.     ( $( $x:expr ),* ) => {
  3.         {
  4.             let mut temp_vec = Vec::new();
  5.             $(
  6.                 temp_vec.push($x);
  7.             )*
  8.             temp_vec
  9.         }
  10.     };
  11. }

其中=>左边的$x:expr模式是一个匹配器 (matcher)，$x是元变量 (metavariable)，
expr是片段指定符 (fragment specifier)。匹配器写在$(...)中，
*会匹配0个或多个表达式，表达式之间的分隔符为逗号。
=>右边的外层大括号只是用来界定整个右侧结构的，也可以使用()或者[]，
左边的外层小括号也类似。扩展中的重复与匹配器中的重复会同步进行：
每个匹配的$x都会在宏扩展中产生一个单独的push语句。

并发计算

Rust提供了两个特性来处理并发 (concurrency)：Send和Sync。
当一个T类型实现了Send，就表明该类型的所有权可以在进程间安全地转移；
而实现了Sync就表明该类型在多线程并发时能够确保内存安全。

Rust的标准库std::thread提供了并行执行代码的功能：

  1. use std::thread;
  3. fn main() {
  4.     let handle = thread::spawn(|| {
  5.         "Hello from a thread!"
  6.     });
  8.     println!("{}", handle.join().unwrap());
  9. }

其中thread::spawn()方法接受一个闭包，它将在一个新线程中执行。

Rust尝试解决可变状态的共享问题，通过所有权系统来帮助排除数据竞争 (data race)：

  1. use std::sync::{Arc, Mutex};
  2. use std::sync::mpsc;
  3. use std::thread;
  5. fn main() {
  6.     let data = Arc::new(Mutex::new(0u32));
  8.     // Creates a shared channel that can be sent along from many threads
  9.     // where tx is the sending half (tx for transmission),
  10.     // and rx is the receiving half (rx for receiving).
  11.     let (tx, rx) = mpsc::channel();
  13.     for i in 0..10 {
  14.         let (data, tx) = (data.clone(), tx.clone());
  16.         thread::spawn(move || {
  17.             let mut data = data.lock().unwrap();
  18.             *data += i;
  20.             tx.send(*data).unwrap();
  21.         });
  22.     }
  24.     for _ in 0..10 {
  25.         println!("{}", rx.recv().unwrap());
  26.     }
  27. }

其中Arc<T>类型是一个原子引用计数指针 (atomic reference counted pointer)，
实现了Sync，可以安全地跨线程共享。Mutex<T>类型提供了互斥锁 (mutex’s lock)，
同一时间只允许一个线程能修改它的值。mpsc::channel()方法创建了一个通道 (channel)，
来发送任何实现了Send的数据。Arc<T>的clone()方法用来增加引用计数，
而当离开作用域时计数减少。