Rust学习教程28 - 深入类型转换

Posted 孙飞 Sunface

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Rust学习教程28 - 深入类型转换相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
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类型转换

Rust是类型安全的语言,因此在Rust中做类型转换不是一件简单的事,这一章节我们将对Rust中的类型转换进行详尽讲解。

as转换

先来看一段代码:

fn main() 
  let a: i32 = 10;
  let b: u16 = 100;

  if a < b 
    println!("Ten is less than one hundred.");
  

能跟着这本书一直学习到这里,说明你对Rust已经有了一定的理解,那么一眼就能看出这段代码注定会报错,因为ab拥有不同的类型,Rust不允许两种不同的类型进行比较。

解决办法很简单,只要把b转换成i32类型即可,这里使用as操作符来完成:if a < (b as i32) .... 那么为什么不把a转换成u16类型呢?

因为每个类型能表达的大小不一样,如果把大的类型转换成小的类型,会造成错误, 因此我们需要把小的类型转换成大的类型,来避免这些问题的发生.

使用类型转换需要小心,因为如果执行以下操作300_i32 as i8,你将获得44这个值,而不是300,因为i8类型能表达的的最大值为2^7 - 1, 使用以下代码可以查看i8的最大值:

let a = i8::MAX;
println!("",a);

下面列出了常用的转换形式:

fn main() 
   let a = 3.1 as i8;
   let b = 100_i8 as i32;
   let c = 'a' as u8; // 将字符'a'转换为整数, 97

   println!(",,",a,b,c)

内存地址转换为指针

let mut values: [i32; 2] = [1, 2];
let p1: *mut i32 = values.as_mut_ptr();
let first_address = p1 as usize; // 将p1内存地址转换为一个整数
let second_address = first_address + 4; // 4 == std:mem::size_of::<i32>(), i32类型占用4个字节,因此将内存地址 + 4
let p2 = second_address as *mut i32; // 访问该地址指向的下一个整数p2
unsafe 
    *p2 += 1;

assert_eq!(values[1], 3);

强制类型转换的边角知识

  1. 数组切片原生指针之间的转换,不会改变数组占用的内存字节数,尽管数组元素的类型发生了改变:
fn main() 
    let a: *const [u16] = &[1,2,3,4,5];
    let b = a as *const[u8];
    assert_eq!(std::mem::size_of_val(&a),std::mem::size_of_val(&b))

  1. 转换不具有传递性
    就算e as U1 as U2是合法的,也不能说明e as U2是合法的。

TryInto转换

在一些场景中,使用as关键字会有比较大的限制,因为你想要在类型转换上拥有完全的控制,例如处理转换错误,那么你将需要TryInto:

use std::convert::TryInto;
 
fn main() 
   let a: u8 = 10;
   let b: u16 = 1500;
 
   let b_: u8 = b.try_into().unwrap();
 
   if a < b_ 
     println!("Ten is less than one hundred.");
   

上面代码中引入了std::convert::TryInto特征,但是却没有使用它,可能有些同学会为此困惑,主要原因在于如果你要使用一个特征的方法,那么你需要引入该特征到当前的作用域中,我们在上面用到了try_into方法,因此需要引入对应的特征。但是Rust又提供了一个非常便利的办法,把最常用的标准库中的特征通过std::prelude模块提前引入到当前作用域中,其中包括了std::convert::TryInto,你可以尝试删除第一行的代码use ...,看看是否会报错.

try_into会尝试进行一次转换,如果失败,则会返回一个Result,然后你可以进行相应的错误处理,但是因为我们的例子只是为了快速测试,因此使用了unwrap方法,该方法在发现错误时,会直接调用panic导致程序的崩溃退出,在实际项目中,请不要这么使用,具体见panic部分.

最主要的是try_into转换会捕获大类型向小类型转换时导致的溢出错误:

fn main() 
    let b: i16 = 1500;

    let b_: u8 = match b.try_into() 
        Ok(b1) => b1,
        Err(e) => 
            println!(":?", e.to_string());
            0
        
    ;

运行后输出如下"out of range integral type conversion attempted", 在这里我们程序捕获了错误,编译器告诉我们类型范围超出的转换是不被允许的,因为我们试图把1500_i16转换为u8类型,后者明显不足以承载这么大的值。

通用类型转换

虽然asTryInto很强大,但是只能应用在数值类型上,可是Rust有如此多的类型,想要为这些类型实现转换,我们需要另谋出路,先来看看在一个笨办法,将一个结构体转换为另外一个结构体:

struct Foo 
    x: u32,
    y: u16,


struct Bar 
    a: u32,
    b: u16,


fn reinterpret(foo: Foo) -> Bar 
    let Foo  x, y  = foo;
    Bar  a: x, b: y 

简单粗暴,但是从另外一个角度来看,也挺啰嗦的,好在Rust为我们提供了更通用的方式来完成这个目的。

强制类型转换

在某些情况下,类型是可以进行隐式强制转换的,但是这些转换其实弱化了Rust的类型系统,它们的存在是为了让Rust在大多数场景可以工作(说白了,帮助用户省事),而不是报各种类型上的编译错误。

首先,在匹配特征时,不会做任何强制转换(除了方法)。如果有一个类型T可以强制转换为U,不代表impl T可以强制转换为impl U,例如以下的代码就无法通过编译检查:

trait Trait 

fn foo<X: Trait>(t: X) 

impl<'a> Trait for &'a i32 

fn main() 
    let t: &mut i32 = &mut 0;
    foo(t);

报错如下:

error[E0277]: the trait bound `&mut i32: Trait` is not satisfied
--> src/main.rs:9:9
|
9 |     foo(t);
|         ^ the trait `Trait` is not implemented for `&mut i32`
|
= help: the following implementations were found:
        <&'a i32 as Trait>
= note: `Trait` is implemented for `&i32`, but not for `&mut i32`

&i32实现了特征Trait&mut i32可以转换为&i32,但是&mut i32依然无法作为Trait来使用。

点操作符

方法调用的点操作符看起来简单,实际上非常不简单,它在调用时,会发生很多魔法般的类型转换,例如:自动引用、自动解引用,强制类型转换直到类型能匹配等。

假设有一个方法foo,它有一个接收器(接收器就是self&sef&mut self参数)。如果调用value.foo(),编译器在调用foo之前,需要决定到底使用哪个Self类型来调用。现在假设value拥有类型T.

再进一步,我们使用完全限定语法来进行准确的函数调用:

  1. 首先,编译器检查它是否可以直接调用T::foo(value), 称之为值方法调用
  2. 如果上一步调用无法完成(例如方法类型错误或者特征没有针对Self进行实现,上文提到过特征不能进行强制转换),那么编译器会尝试增加自动引用,以为着编译器会尝试以下调用:<&T>::foo(value)<&mut T>::foo(value), 称之为引用方法调用
  3. 若上面两个方法依然不工作,编译器会试着解引用T,然后再进行尝试。这里使用了Deref特征 - 若T: Deref<Target = U>(T可以被解引用为U),那么编译器会使用U类型进行尝试,称之为解引用方法调用
  4. T不能被解引用,且T是一个定长类型(在编译器类型长度是已知的),那么编译器也会尝试将T从定长类型转为不定长类型,例如将[i32; 2]转为[i32]
  5. 若还是不行,那…没有那了,最后编译器大喊一声:汝欺我甚,不干了!

下面我们来用一个例子来解释上面的方法查找算法:

let array: Rc<Box<[T; 3]>> = ...;
let first_entry = array[0];

array数组的底层数据隐藏在了重重封锁之后,那么编译器如何使用array[0]这种数组原生访问语法通过重重封锁,准确的访问到数组中的第一个元素?

  1. 首先,array[0]只是Index特征的语法糖: 编译器会将array[0]转换为array.index(0)调用, 当然在调用之前,编译器会先检查array是否实现了Index特征.
  2. 接着,编译器检查Rc<Box<[T; 3]>>是否有否实现Index特征,结果是否,不仅如此,&Rc<Box<[T; 3]>>&mut Rc<Box<[T; 3]>>也没有实现.
  3. 上面的都不能工作,编译器开始对Rc<Box<[T; 3]>>进行解引用,把它转变成Box<[T; 3]>
  4. 此时继续对Box<[T; 3]>进行上面的操作:Box<[T; 3]>, &Box<[T; 3]>, and &mut Box<[T; 3]>都没有实现Index特征,所以编译器开始对Box<[T; 3]>进行解引用,然后我们得到了[T; 3]
  5. [T; 3]以及它的各种引用都没有实现Index索引(是不是很反直觉:D,在直觉中,数组都可以通过索引访问,实际上只有数组切片才可以!),它也不能再进行解引用,因此编译器只能祭出最后的大杀器:将定长转为不定长,因此[T; 3]被转换成[T],也就是数组切片,它实现了Index特征,因此最终我们可以通过index方法访问到对应的元素.

过程看起来很复杂,但是也还好挺好理解,如果你先不能彻底理解,也不要紧,等以后对Rust理解更深了,同时需要深入理解类型转换时,再来细细品读本章。

再来看看以下更复杂的例子:

fn do_stuff<T: Clone>(value: &T) 
    let cloned = value.clone();

上面例子中cloned的类型时什么?首先编译器检查能不能进行值方法调用, value的类型是&T,同时clone方法的签名也是&T: fn clone(&T) -> T,因此可以进行值方法调用, 再加上编译器知道了T实现了Clone,因此cloned的类型是T.

如果T: Clone的特征约束被移除呢?

fn do_stuff<T>(value: &T) 
    let cloned = value.clone();

首先,从直觉上来说,该方法会报错,因为T没有实现Clone特征,但是真实情况是什么呢?

我们先来推导一番。 首先通过值方法调用就不再可行,因此T没有实现Clone特征,也就无法调用Tclone方法。接着编译器尝试引用方法调用,此时T变成&T,在这种情况下,clone方法的签名如下:fn clone(&&T) -> &T, 记着我们现在对value进行了引用。 编译器发现&T实现了Clone类型(所有的引用类型都可以被复制,因为其实就是复制一份地址),因此可以可以推出cloned也是&T类型。

最终,我们复制出一份引用指针,这很合理,因为值类型T没有实现Clone,只能去复制一个指针了。

下面的例子也是自动引用生效的地方:

#[derive(Clone)]
struct Container<T>(Arc<T>);

fn clone_containers<T>(foo: &Container<i32>, bar: &Container<T>) 
    let foo_cloned = foo.clone();
    let bar_cloned = bar.clone();

推断下上面的foo_clonedbar_cloned是什么类型?提示: 关键在Container的泛型参数,一个是i32的具体类型,一个是泛型类型,其中i32实现了Clone,但是T并没有.

首先要复习一下复杂类型派生Clone的规则:一个复杂类型能否派生Clone,需要它内部的所有子类型都能进行Clone。因此Container<T>(Arc<T>)是否实现Clone的关键在于T类型是否实现了Clone.

上面代码中,Container<i32>实现了Clone特征,因此编译器可以直接进行值方法调用,此时相当于直接调用foo.clone,其中clone的函数签名是fn clone(&T) -> T,由此可以看出foo_cloned的类型是Container<i32>.

然而,bar_cloned的类型却是&Container<T>.这个不合理啊,明明我们为Container<T>派生了Clone特征,因此它也应该是Container<T>类型才对。万事皆有因,我们先来看下derive宏最终生成的代码大概是啥样的:

impl<T> Clone for Container<T> where T: Clone 
    fn clone(&self) -> Self 
        Self(Arc::clone(&self.0))
    

从上面代码可以看出,派生Clone能实现的根本是T实现了Clone特征:where T: Clone, 因此Container<T>就没有实现Clone特征。

编译器接着会去尝试引用方法调用,此时&Container<T>引用实现了Clone,最终可以得出bar_cloned的类型是&Container<T>,

当然,也可以为Container<T>手动实现Clone特征:

impl<T> Clone for Container<T> 
    fn clone(&self) -> Self 
        Self(Arc::clone(&self.0))
    

此时,编译器首次尝试值方法调用即可通过,因此bar_cloned的类型变成Container<T>.

这一块儿内容真的挺复杂,每一个坚持看完的读者都是真正的勇士,我也是:为了写好这块儿内容,作者足足花了4个小时!

变形记(Transmutes)

前方危险,敬请绕行!

类型系统,你让开!我要自己转换这些类型,不成功便成仁!虽然本书都是关于非安全的内容,我还是希望你能仔细考虑避免使用本章讲到的内容。这是你在 Rust 中所能做到的真真正正、彻彻底底、最最可怕的非安全行为, 在这里,所有的保护机制都形同虚设。

先让你看看深渊长什么样,开开眼,然后你再决定是否深入: mem::transmute<T, U>将类型T直接转成类型U,唯一的要求就是,这两个类型占用同样大小的字节数!我的天,这也算限制?这简直就是无底线的转换好吧?看看会导致什么问题:

  1. 首先也是最重要的,转换后创建一个任意类型的实例会造成无法想象的混乱,而且根本无法预测。不要把3转换成bool类型,就算你根本不会去使用该bool类型,也不要去这样转换。
  2. 变形后会有一个重载的返回类型,即使你没有指定返回类型,为了满足类型推导的需求,依然会产生千奇百怪的类型
  3. &变形为&mut是未定义的行为
    • 这种转换永远都是未定义的
    • 不,你不能这么做
    • 不要多想,你没有那种幸运
  4. 变形为一个未指定生命周期的引用会导致无界生命周期
  5. 在复合类型之间互相变换时,你需要保证它们的排列布局是一模一样的!一旦不一样,那么字段就会得到不可预期的值,这也是未定义的行为,至于你会不会因此愤怒,who cares,你都用了变形了,老兄!

对于第5条,你该如何知道内存的排列布局是一样的呢?对于repr(C)类型和repr(transparent)类型来说,它们的布局是有着精确定义的。但是对于你自己的"普通却自信"的Rust类型repr(Rust)来说,它可不是有着精确定义的。甚至同一个泛型类型的不同实例都可以有不同的内存布局。Vec<i32>Vec<u32>它们的字段可能有着相同的顺序,也可能没有。对于数据排列布局来说,什么能保证,什么不能保证目前还在Rust开发组的工作任务中呢.

你以为你之前凝视的是深渊吗?不,你凝视的只是深渊的大门。mem::transmute_copy<T, U>才是真正的深渊,它比之前的还要更加危险和不安全。它从T类型中拷贝出U类型所需的字节数,然后转换成Umem::transmute尚有大小检查,能保证两个数据的内存大小一致,现在这哥们干脆连这个也丢了,只不过U的尺寸若是比T大,会是一个未定义行为。

当然,你也可以通过原生指针转换获得unions(todo!)获得所有的这些功能,但是你将无法获得任何编译提示或者检查。原生指针转换和unions也不是魔法,无法逃避上面说的规则。

以上是关于Rust学习教程28 - 深入类型转换的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Rust学习教程28 - 深入类型转换

Rust语言圣经28 - 深入类型转换

Rust学习教程08 - 数值类型深入剖析

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Rust学习教程27 - 深入了解特征

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