Rust学习教程24 - 泛型和const泛型

Posted 2022-12-02 孙飞 Sunface

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
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泛型Generics

Go语言在2022年，就要正式引入泛型，被视为在1.0版本后，语言特性发展迈出的一大步，那么为什么泛型这么重要？到底什么是泛型？以及Rust的泛型又有几种？
本章将一一为你讲解。

我们在编程中，经常有这样的需求：用同一功能的函数处理不同类型的数据，例如两个数的加法，无论是整数还是浮点数，甚至是自定义类型，都能进行支持。在不支持泛型的编程语言中，通常需要为每一种类型编写一个函数：

fn add_i8(a:i8, b:i8) -> i8 
    a + b

fn add_i32(a:i16, b:i16) -> i16 
    a + b

fn add_f64(a:f64, b:f64) -> f64 
    a + b


fn main() 
    println!("add i8: ", add_i8(2i8, 3i8));
    println!("add i16: ", add_i32(20, 30));
    println!("add f64: ", add_f64(1.23, 1.23));

上述代码可以正常运行，但是很啰嗦，如果你要支持全部的类型，那么更是极其繁琐。程序员或多或少都有强迫症，一个好程序员的公认特征就是 - 懒，这么勤快的写一大堆代码，显然不是咱们的优良传统，是不？

在开始讲解Rust的泛型之前，先来看看何为多态。

在编程的时候，我们经常利用多态。通俗的讲，多态就是好比坦克的炮管，既可以发射普通弹药，也可以发射制导炮弹（导弹），也可以发射贫铀穿甲弹，甚至发射子母弹，大家都不想为每一种炮弹都在坦克上分别安装一个专用炮管，即使生产商愿意，炮手也不愿意，累死人啊。所以在编程开发中，我们也需要这样“通用的炮管”，这个“通用的炮管”就是多态。

实际上，泛型就是一种多态。泛型主要目的是为程序员提供了编程的便利，减少代码的臃肿,同时极大丰富了语言本身的表达能力, 为程序员提供了一个合适的炮管。想想，一个函数，代替了几十个，甚至数百个函数，是一件多么让人兴奋的事情:

fn add<T>(a:T, b:T) -> T 
    a + b


fn main() 
    println!("add i8: ", add(2i8, 3i8));
    println!("add i16: ", add(20, 30));
    println!("add f64: ", add(1.23, 1.23));

将之前的代码改成上面这样，就是Rust泛型的初印象，这段代码虽然很简洁，但是并不能编译通过，我们会在后面进行详细讲解，现在只要对泛型有个大概的印象即可。

泛型详解

上面代码的T就是泛型参数，在Rust中，泛型参数的名称实际上你可以任意起，但是出于惯例，我们都用T(T是type的首字母)来作为首选，同时越短越好，除非需要表达含义，否则一个字母是最完美的.

使用泛型参数，有一个先前条件：必需在使用前进行声明：

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

该泛型函数，是从列表中找出最大的值，其中列表中的元素类型为T。首先largest<T>对泛型参数T进行了声明，然后才在函数参数中进行使用该泛型参数list: &[T](还记得&[T]类型吧？这是数组切片)。

总之，我们可以这样理解这个定义：函数largest有泛型类型T, 它有个参数 list，其类型是元素为 T 的数组切片, 最后，该函数返回值的类型也是T。

具体的泛型函数实现如下：

fn largest<T>(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);

运行后报错：

error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T` // `>`操作符不能用于类型`T`
 --> src/main.rs:5:17
  |
5 |         if item > largest 
  |            ---- ^ ------- T
  |            |
  |            T
  |
help: consider restricting type parameter `T` // 考虑对T进行类型上的限制 :
  |
1 | fn largest<T: std::cmp::PartialOrd>(list: &[T]) -> T 
  |             ++++++++++++++++++++++

因为T可以是任何类型，但是不是所有的类型都能进行比较，因此上面的错误中，编译器建议我们给T添加一个类型限制：使用std::cmp::PartialOrd特征对T进行限制，特征在下一节会详细介绍，现在你只要理解，该特征的目的就是让类型实现可比较的功能。

还记得我们一开始的add泛型函数吗？如果你运行它，会得到以下的报错：

error[E0369]: cannot add `T` to `T` // 无法将`T`类型跟`T`类型进行相加
 --> src/main.rs:2:7
  |
2 |     a + b
  |     - ^ - T
  |     |
  |     T
  |
help: consider restricting type parameter `T`
  |
1 | fn add<T: std::ops::Add<Output = T>>(a:T, b:T) -> T  
  |         +++++++++++++++++++++++++++

同样的，不是所有T类型都能进行相加操作，因此我们需要用std::ops::Add<Output = T>对T进行限制:

fn add<T: std::ops::Add<Output = T>>(a:T, b:T) -> T 
    a + b

进行如上修改后，就可以正常运行。

结构体中使用泛型

结构体中的字段类型也可以用泛型来定义，下面代码定义了一个坐标点Point，它可以存放任何类型的坐标值：

struct Point<T> 
    x: T,
    y: T,


fn main() 
    let integer = Point  x: 5, y: 10 ;
    let float = Point  x: 1.0, y: 4.0 ;

这里有两点需要特别的注意：

• 提前声明, 跟泛型函数定义类似，首先我们在使用泛型参数之前必需要进行声明Point<T>，接着就可以在结构体的字段类型中使用T来替代具体的类型
• x和y是相同的类型

第二点非常重要，它会导致下面代码的报错：

struct Point<T> 
    x: T,
    y: T,


fn main() 
    let p = Pointx: 1, y :1.1;

错误如下：

error[E0308]: mismatched types //类型不匹配
 --> src/main.rs:7:28
  |
7 |     let p = Pointx: 1, y :1.1;
  |                            ^^^ expected integer, found floating-point number //期望y是整数，但是却是浮点数

当把1赋值给x时，变量p的T类型就被确定为整数类型，因此y也必须是整数类型，但是我们却给它赋予了浮点数，因此导致报错。

如果想让x和y即能类型相同，又能类型不同，需要使用不同的泛型参数：

struct Point<T,U> 
    x: T,
    y: U,

fn main() 
    let p = Pointx: 1, y :1.1;

切记，所有的泛型参数都要提前声明: Point<T,U> ! 但是如果你的结构体变成这鬼样：struct Woo<T,U,V,W,X>，那么你需要考虑拆分这个结构体，减少泛型参数的个人和代码复杂度。

枚举中使用泛型

提到枚举类型，Option永远是第一个应该被想起来的，在之前的章节中，它也多次出现：

enum Option<T> 
    Some(T),
    None,

Option<T> 是一个拥有泛型 T, 它第一个成员是Some(T),存放了一个类型为T的值。得益于泛型的引入，我们可以在任何一个需要返回值的函数中，去使用Option<T>枚举类型来做为返回值，用于返回一个任意类型的值Some(T)，或者没有值None.

对于枚举而言，卧龙凤雏永远是绕不过去的存在：如果是Option是卧龙，那么Result就一定是凤雏，得两者可得天下:

enum Result<T, E> 
    Ok(T),
    Err(E),

该枚举和Option一样，主要用于函数返回值，与Option用于值的存在与否不同，Result关注的主要是正确性。

如果函数正常运行，则最后返回一个Ok(T)，T是函数具体的返回值类型,如果函数异常运行，则返回一个Err(E)，E是具体的错误值。例如打开一个文件：当成功打开文件，返回Ok(std::fs::File),因此T 对应的是 std::fs::File 类型；而当打开文件时出现问题时，返回Err(std::io::Error), E对应的是std::io::Error类型。

方法中使用泛型

上一节中，我们讲到何为方法以及如何在结构体和枚举上定义方法。方法上也可以使用泛型：

struct Point<T> 
    x: T,
    y: T,


impl<T> Point<T> 
    fn x(&self) -> &T 
        &self.x
    


fn main() 
    let p = Point  x: 5, y: 10 ;

    println!("p.x = ", p.x());

使用泛型参数前，依然需要提前声明: impl<T>，只有提前声明了，我们才能在Point<T>中使用它, 这样Rust就知道Point的尖括号中的类型是泛型而不是具体类。需要注意的是，这里的Point<T>不再是泛型声明，而是一个完整的结构体类型，因为我们定义的结构体就是Point<T>而不再是Point。

除了结构体中的泛型参数，我们还能在该结构体的方法中定义额外的泛型参数，就跟泛型函数一样：

struct Point<T, U> 
    x: T,
    y: U,


impl<T, U> Point<T, U> 
    fn mixup<V, W>(self, other: Point<V, W>) -> Point<T, W> 
        Point 
            x: self.x,
            y: other.y,
        
    


fn main() 
    let p1 = Point  x: 5, y: 10.4 ;
    let p2 = Point  x: "Hello", y: 'c';

    let p3 = p1.mixup(p2);

    println!("p3.x = , p3.y = ", p3.x, p3.y);

这个例子中，T,U是定义在结构体Point上的泛型参数，V,W是单独定义在方法mixup上的泛型参数，它们并不冲突，说白了，你可以理解为，一个是结构体泛型，一个是函数泛型。

为具体的泛型类型实现方法

对于Point<T>类型，你不仅能定义基于T的方法，还能针对特定的具体类型，进行方法定义：

impl Point<f32> 
    fn distance_from_origin(&self) -> f32 
        (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
    

这段代码意味着 Point<f32> 类型会有一个方法 distance_from_origin，而其他 T 不是 f32 类型的 Point<T>实例则没有定义此方法。这个方法计算点实例与坐标(0.0, 0.0) 之间的距离，并使用了只能用于浮点型的数学运算符。

这样我们就能针对特定的泛型类型实现某个特定的方法，对于其它泛型类型，该方法则并无定义。

const泛型（Rust最新版本引入的重要特性）

在之前的泛型中，可以抽象为一句话：针对类型实现的泛型，所有的泛型都是为了抽象不同的类型，那有没有针对值的泛型？可能很多同学感觉很难理解，值怎么使用泛型？不急，我们先从数组讲起。

在数组那节，有提到过很重要的一点：[i32; 2]和[i32; 3]是不同的数组类型，例如以下代码：

fn display_array(arr: [i32; 3]) 
    println!(":?", arr);

fn main() 
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(arr);

    let arr: [i32;2] = [1,2];
    display_array(arr);

运行后报错：

error[E0308]: mismatched types // 类型不匹配
  --> src/main.rs:10:19
   |
10 |     display_array(arr);
   |                   ^^^ expected an array with a fixed size of 3 elements, found one with 2 elements
                          // 期望一个长度为3的数组，却发现一个长度为2的

结合代码和报错，可以很清楚的看出，[i32; 3]和[i32; 2]确实是两个完全不同的类型,因此无法用同一个函数调用。

首先，让我们修改代码，让display_array能打印所有长度的i32数组：

fn display_array(arr: &[i32]) 
    println!(":?", arr);

fn main() 
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(&arr);

    let arr: [i32;2] = [1,2];
    display_array(&arr);

很简单,只要使用数组切片，然后传入arr的不可变引用即可。

接着，将i32改成所有类型的数组：

fn display_array<T: std::fmt::Debug>(arr: &[T]) 
    println!(":?", arr);

fn main() 
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(&arr);

    let arr: [i32;2] = [1,2];
    display_array(&arr);

也不难，唯一要注意的是需要对T加一个限制std::fmt::Debug，该限制表明T可以用在println!(":?", arr)中，因为"?形式的格式化输出需要arr实现该特征。

通过引用，我们可以很轻松的解决处理任何类型数组的问题，但是如果在某些场景下不适宜用引用或者干脆不能用呢？那真的没什么好办法了，你们知道为什么以前Rust的一些数组库，在使用的时候都限定长度不超过32吗？因为它们会为每个长度都单独实现一个函数，简直。。。毫无人性。

好在，现在咱们有了const泛型，也就是针对值的泛型，正好可以用于处理数组长度的问题:

fn display_array<T: std::fmt::Debug, const N: usize>(arr: [T; N]) 
    println!(":?", arr);

fn main() 
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(arr);

    let arr: [i32; 2] = [1, 2];
    display_array(arr);

如上所示，我们定义了一个类型为[T; N]的数组，其中T是一个基于类型的泛型参数，这个和之前讲的泛型没有区别，而重点就在于N这个泛型参数，它是一个基于值的泛型参数！因为它用来替代的是数组的长度。

N就是const泛型，定义的语法是const N: usize，表示const泛型N，它基于的值类型是usize。

在泛型参数之前，Rust完全不适合复杂矩阵的运算，自从有了const泛型，一切即将改变。

泛型的性能

在Rust中泛型是零消耗的抽象，意味着你在使用泛型时，完全不用担心性能上的问题。

但是任何选择都是权衡得失的，既然我们获得了性能上的巨大优势，那么又失去了什么呢？Rust采用的是在编译期，为泛型对应的多个类型，生成各自的代码，因此损失了编译速度和增大了最终生成文件的大小。

具体来说：

Rust 通过在编译时进行泛型代码的 单态化（monomorphization）来保证效率。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。

编译器所做的工作正好与我们创建泛型函数的步骤相反, 编译器寻找所有泛型代码被调用的位置并针对具体类型生成代码。

让我们看看一个使用标准库中 Option 枚举的例子：

let integer = Some(5);
let float = Some(5.0);

当 Rust 编译这些代码的时候，它会进行单态化。编译器会读取传递给 Option<T> 的值并发现有两种 Option<T>：一个对应 i32 另一个对应 f64。为此，它会将泛型定义 Option<T> 展开为 Option_i32 和 Option_f64，接着将泛型定义替换为这两个具体的定义。

编译器生成的单态化版本的代码看起来像这样：

enum Option_i32 
    Some(i32),
    None,


enum Option_f64 
    Some(f64),
    None,


fn main() 
    let integer = Option_i32::Some(5);
    let float = Option_f64::Some(5.0);

我们可以使用泛型来编写不重复的代码，而 Rust 将会为每一个实例编译其特定类型的代码。这意味着在使用泛型时没有运行时开销；当代码运行，它的执行效率就跟好像手写每个具体定义的重复代码一样。这个单态化过程正是 Rust 泛型在运行时极其高效的原因。