Rust语言圣经25 - 特征Trait

Posted 2022-01-03 编程学院

原文链接：https://course.rs/basic/trait/trait.html
 
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特征Trait

如果我们想定义一个文件系统，那么把该系统跟底层存储解耦是很重要的。文件操作主要包含三个：open、write、read, 这些操作可以发生在硬盘，也可以发生在缓存，可以通过网络也可以通过(我实在编不下去了，大家来帮帮我)。总之如果你要为每一种情况都单独实现一套代码，那这种实现将过于繁杂，而且也没那个必要。

要解决上述把某种行为抽象出来的问题，就要使用Rust中的特征trait概念。可能你是第一次听说这个名词，但是不要怕，如果学过其他语言，那么大概率你听说过接口，没错，特征很类似接口。

在之前的代码中，我们也多次见过特征的使用，例如#[derive(Debug)]，它在自定义的类型上自动派生Debug特征，接着可以使用println!(":?",x)打印自定义的类型;再例如:

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

通过std::ops::Add特征来限制T，这样才能进行合法的加法操作，否则不可能任何类型都能进行相加。

这些都说明一个道理，特征定义了一个可以被共享的行为，只要实现了特征，你就能使用该行为。

定义特征

如果不同的类型具有相同的行为，那么我们就可以定义一个特征，然后为这些类型实现该特征。定义特征是把一些方法组合在一起，目的是定义一个实现某些目标所必需的行为的集合。

例如，我们现在有文章Post和微博Weibo两种内容载体，而我们想对相应的内容进行总结，也就是无论是文章内容，还是微博内容，都可以在某个时间点进行总结，那么总结这个行为就是共享的，因此可以用特征来定义：

pub trait Summary 
    fn summarize(&self) -> String;

这里使用 trait 关键字来声明一个特征，Summary是特征名。在大括号中定义描述该特征的所有方法，在这个例子中是fn summarize(&self) -> String。

特征只定义行为看起来是什么样的，而不定义行为具体是怎么样的。因此这里，我们只定义特征方法的签名，而不进行实现，因此方法后面是;，而不是一个。

接着每一个实现这个特征的类型都需要具体实现该特征的相应方法，编译器也会确保任何实现Summary特征的类型都拥有与这个签名的定义完全一致的 summarize 方法。

为类型实现特征

因为特征只定义行为看起来是什么样的，因此我们需要为类型实现具体的特征，定义行为具体是怎么样的。

首先来为Post和Weibo实现Summary特征:

pub trait Summary 
    fn summarize(&self) -> String;

pub struct Post 
    pub title: String, // 标题
    pub author: String, // 作者
    pub content: String, // 内容


impl Summary for Post 
    fn summarize(&self) -> String 
        format!("文章, 作者是", self.title, self.author)
    


pub struct Weibo 
    pub username: String,
    pub content: String


impl Summary for Weibo 
    fn summarize(&self) -> String 
        format!("发表了微博", self.username, self.content)
    

实现特征的语法跟为结构体、枚举实现方法挺像: impl Summary for Post，读作为Post类型实现Summary特征，然后在impl的花括号中实现该特征的具体方法。

接下来就可以在类型上调用特征的方法：

fn main() 
    let post = Posttitle: "Rust语言简介".to_string(),author: "Sunface".to_string(), content: "Rust棒极了!".to_string();
    let weibo = Weibousername: "sunface".to_string(),content: "好像微博没Tweet好用".to_string();
    
    post.summarize();
    weibo.summarize();

运行输出:

文章Rust语言简介, 作者是Sunface
sunface发表了微博好像微博没Tweet好用

说实话，如果特征仅仅如此，你可能会觉得花里胡哨没啥子用，等下就让你见识下真正的威力。

特征定义与实现的位置

上面我们将Summary定义为了pub公开的，因此如果他人想要使用我们的Summary特征，则可以引入到他们的包中，然后再进行实现。

关于特征实现与定义的位置，有一条非常重要的原则: 如果你想要为类型A实现特征T，那么A或者T至少有一个是在当前作用域中定义的！.例如我们可以为上面的Post类型实现标准库中的Display特征，这是因为Post类型定义在当前的作用域中。同时，我们也可以在当前包中为String类型实现Summary特征，因为Summary定义在当前作用域中。

但是你无法在当前作用域中，为String类型实现Display特征，因为它们两都定义在标准库中，跟你半毛钱关系都没有，看看就行了。

该规则被称为孤儿规则，可以确保其它人编写的代码不会破坏你的代码，也确保了你不会莫名其妙就破坏了风马牛不相及的代码。

默认实现

你可以在特征中定义具有默认实现的方法，这样其它类型无需再实现该方法，或者也可以选择重载该方法:

pub trait Summary 
    fn summarize(&self) -> String 
        String::from("(Read more...)")
    

上面为Summary定义了一个默认实现，下面我们编写段代码来测试下:

impl Summary for Post 

impl Summary for Weibo 
    fn summarize(&self) -> String 
        format!("发表了微博", self.username, self.content)
    

可以看到，Post选择了默认实现，而Weibo重载了该方法，调用和输出如下:

    println!("",post.summarize());
    println!("",weibo.summarize());

(Read more...)
sunface发表了微博好像微博没Tweet好用

默认实现允许调用相同特种中的其他方法，哪怕这些方法没有默认实现。如此，特征可以提供很多有用的功能而只需要实现指定的一小部分内容。例如，我们可以定义Summary特征，使其具有一个需要实现的summarize_author方法，然后定义一个summarize方法，此方法的默认实现调用summarize_author方法：

pub trait Summary 
    fn summarize_author(&self) -> String;

    fn summarize(&self) -> String 
        format!("(Read more from ...)", self.summarize_author())
    

为了使用Summary，只需要实现summarize_author方法即可:

impl Summary for Weibo 
    fn summarize_author(&self) -> String 
        format!("@", self.username)
    

println!("1 new weibo: ", weibo.summarize());

weibo.summarize()会先调用Summary特征默认实现的summarize方法，通过该方法进而调用Weibo为Summary实现的summarize_author方法，最终输出：1 new weibo: (Read more from @horse_ebooks...).

使用特征作为函数参数

之前提到过，特征如果仅仅是用来调用方法，那真的有些大材小用，现在我们来讲下，真正可以让特征大放光彩的地方。

现在，先定义一个函数，使用特征用做函数参数：

pub fn notify(item: &impl Summary) 
    println!("Breaking news! ", item.summarize());

impl Summary，只能说出这个类型的人真的是起名鬼才，简直太贴切了，故名思义实现了Summary特征的`item参数.

你可以使用任何实现了Summary特征的类型作为该函数的参数，同时在函数体内，还可以调用该特征的的方法，例如summarize方法。具体的说，可以传递Post或Weibo的实例来作为参数，而其它类如String或者i32的类型则不能用做该函数的参数，因为它们没有实现Summary特征。

特征约束(trait bound)

虽然impl Trait这种语法非常好理解，但是实际上它只是一个语法糖:

pub fn notify<T: Summary>(item: &T) 
    println!("Breaking news! ", item.summarize());

真正的完整形式如上所述，形如T:Summary被称为特征约束。

在简单的场景下impl Trait的语法就足够使用，但是对于复杂的场景，特征约束可以让我们拥有更大的灵活性和语法表现能力，例如一个函数接受两个impl Summary的参数：

pub fn notify(item1: &impl Summary, item2: &impl Summary) 

如果函数两个参数是不同的类型，那么上面的方法很好，只要这两个类型都实现了Summary特征即可。但是如果我们想要强制函数的两个参数是同一类型呢？上面的语法就无法做到这种限制，此时我们只能使特征约束来实现：

pub fn notify<T: Summary>(item1: &T, item2: &T) 

泛型类型T说明了item1和item2必须拥有同样的类型，同时T: Summary说明了T必须实现Summary特征。

多重约束

除了单个约束条件，我们还可以指定多个约束条件，例如除了让参数实现Summary特征外，还可以让参数实现Display特征以控制它的格式化输出：

pub fn notify(item: &(impl Summary + Display)) 

除了上述的语法糖形式，还能使用特征约束的形式:

pub fn notify<T: Summary + Display>(item: &T) 

通过这两个特征，就可以使用item.summarize方法，以及通过println!("",item)来格式化输出item。

Where约束

当特征约束变得很多时，函数的签名将变得很复杂：

fn some_function<T: Display + Clone, U: Clone + Debug>(t: &T, u: &U) -> i32 

严格来说，上面的例子还是不够复杂，但是我们还是能对其做一些形式上的改进，通过where：

fn some_function<T, U>(t: &T, u: &U) -> i32
    where T: Display + Clone,
          U: Clone + Debug

使用特征约束有条件的实现方法或特征

特征约束，可以让我们在指定类型 + 指定特征的条件下去实现方法，例如:

use std::fmt::Display;

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


impl<T> Pair<T> 
    fn new(x: T, y: T) -> Self 
        Self 
            x,
            y,
        
    


impl<T: Display + PartialOrd> Pair<T> 
    fn cmp_display(&self) 
        if self.x >= self.y 
            println!("The largest member is x = ", self.x);
         else 
            println!("The largest member is y = ", self.y);
        
    

cmd_display方法，并不是所有的Pair<T>结构体对象都拥有，只有T实现了Display + PartialOrd的Part<T>才拥有此方法
该函数可读性会更好，因为泛型参数、参数、返回值都在一起，可以快速的阅读，同时每个泛型参数的特征也在新的代码行中通过where进行了约束。

也可以有条件的实现特征, 例如，标准库为任何实现了 Display特征的类型实现了 ToString特征：

impl<T: Display> ToString for T 
    // --snip--

我们可以对任何实现了 Display 特征的类型调用由 ToString 定义的 to_string 方法。例如，可以将整型转换为对应的 String 值，因为整型实现了 Display：

let s = 3.to_string();

函数返回中的impl Trait

可以通过impl Trait来说明一个函数返回了一个类型，该类型实现了某个特征:

fn returns_summarizable() -> impl Summary 
    Weibo 
        username: String::from("sunface"),
        content: String::from(
            "m1 max太厉害了，电脑再也不会卡",
        )
    

因为Weibo实现了Summary，因此这里可以用它来作为返回值。要注意的是，虽然我们知道这里是一个Weibo类型，但是对于returns_summarizable的调用者而言，他只知道返回了一个实现了Summary特征的对象，但是并不知道返回了一个Weibo类型.

这种impl Trait形式的返回值，在一种场景下非常非常有用，那就是返回的真实类型非常复杂，你不知道该怎么声明时(毕竟Rust要求你必须标出所有的类型)，此时就可以用impl Trait的方式简单返回。例如，闭包和迭代器就是很复杂，只有编译器才知道那玩意的真实类型，如果让你写出来它们的具体类型，我估计想杀人的心都有，好在你可以用impl Iterator来告诉调用者，返回了一个迭代器，因为所有迭代器都会实现Iterator特征。

但是这种返回值方式有一个很大的限制：只能有一个具体的类型，例如：

n returns_summarizable(switch: bool) -> impl Summary 
    if switch 
        Post 
            title: String::from(
                "Penguins win the Stanley Cup Championship!",
            ),
            author: String::from("Iceburgh"),
            content: String::from(
                "The Pittsburgh Penguins once again are the best \\
                 hockey team in the NHL.",
            ),
        
     else 
        Weibo 
            username: String::from("horse_ebooks"),
            content: String::from(
                "of course, as you probably already know, people",
            ),
        
    

以上的代码就无法通过编译，因为它返回了两个不同的类型，

`if` and `else` have incompatible types
expected struct `Post`, found struct `Weibo`

报错提示我们if和else返回了不同的类型。如果想要实现返回不同的类型，需要使用下一章节中的特征对象.

修复上一节中的largest函数

还记得上一节中的例子吧,当时留下一个疑问，该如何解决编译报错：

error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T` // 无法在`T`类型上应用`>`运算符
 --> src/main.rs:5:17
  |
5 |         if item > largest 
  |            ---- ^ ------- T
  |            |
  |            T
  |
help: consider restricting type parameter `T` // 考虑使用以下的特征来约束T
  |
1 | fn largest<T: std::cmp::PartialOrd>(list: &[T]) -> T 
  |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

在 largest 函数体中我们想要使用大于运算符（>）比较两个 T 类型的值。这个运算符是标准库中特征 std::cmp::PartialOrd 的一个默认方法。所以需要在 T 的特征约束中指定 PartialOrd，这样 largest 函数可以用于内部元素类型可以比较大小的数组切片.

由于PartialOrd 位于 prelude 中所以并不需要通过std::cmp手动将其引入作用域。将 largest 的签名修改为如下：

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

但是此时编译，又会出现新的错误：

error[E0508]: cannot move out of type `[T]`, a non-copy slice
 --> src/main.rs:2:23
  |
2 |     let mut largest = list[0];
  |                       ^^^^^^^
  |                       |
  |                       cannot move out of here
  |                       help: consider using a reference instead: `&list[0]`

error[E0507]: cannot move out of borrowed content
 --> src/main.rs:4:9
  |
4 |     for &item in list.iter() 
  |         ^----
  |         ||
  |         |hint: to prevent move, use `ref item` or `ref mut item`
  |         cannot move out of borrowed content

错误的核心是 cannot move out of type [T], a non-copy slice， 原因是T没有实现Copy特性，因此我们只能把所有权进行转移，毕竟只有i32等基础类型才实现了Copy特性，可以存储在栈上，而T可以指代任何类型(严格来说是实现了PartialOrd特征的所有类型)。

因此，为了让T拥有Copy特性，我们可以加上特征约束:

fn largest<T: PartialOrd + Copy>(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);

如果并不希望限制 largest 函数只能用于实现了 Copy 特征的类型，我们可以在 T 的特征约束中指定 Clone特征 而不是 Copy特征。并克隆list中国呢的每一个值使得 largest 函数拥有其所有权。使用 clone 函数意味着对于类似 String 这样拥有堆上数据的类型，会潜在的分配更多堆上空间，而堆分配在涉及大量数据时可能会相当缓慢。

另一种 largest 的实现方式是返回在 list 中 T 值的引用。如果我们将函数返回值从 T 改为 &T 并改变函数体使其能够返回一个引用，我们将不需要任何 Clone 或 Copy 的特征约束而且也不会有任何的堆分配。尝试自己实现这种替代解决方式吧！

通过derive派生特征

在本书中，形如#[derive(Debug)]的代码已经出现了很多次，这种是一种特征派生语法，被derive标记的对象会自动实现对应的默认特征代码，继承相应的功能。

例如Debug特征，它有一套自动实现的默认代码，当你给一个结构体标记后，就可以使用println!(":?",s)的形式打印该结构体的对象。

例如Copy特征，它也有一套自动实现的默认代码，当标记到一个类型上时，可以让这个类型自动实现Copy特征，进而可以调用copy方法，进行自我复制。

总是，derive派生出来的是Rust默认给我们提供的特征，在开发过程中极大的简化了自己手动实现相应特征的需求，当然，如果你有特殊的需求，还可以自己手动重载该实现。

详细的derive列表参加附录-派生特征.

一个复杂的例子

综合上面的内容，我们再来看一个复杂一些的例子：

use std::ops::Add;

// 为Point结构体派生Debug特征，用于格式化输出
#[derive(Debug)]
struct Point<T: Add<T, Output = T>>  //限制类型T必须实现了Add特征，否则无法进行+操作。
    x: T,
    y: T,


impl<T: Add<T, Output 以上是关于Rust语言圣经25 - 特征Trait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25 - 特征Trait
 Rust学习教程25 - 特征Trait
 Rust语言圣经27 - 深入了解特征
 Rust编程语言入门之泛型Trait生命周期
 如何使 Rust Generic Struct/Trait 需要 Box<other trait>？
 Rust学习教程26 - 特征对象