Rust语言圣经27 - 深入了解特征

Posted 2022-01-04 编程学院

原文链接：https://course.rs/basic/trait/advance-trait.html
 
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深入了解特征

特征之于Rust更甚于接口之于其他语言，因此特征在Rust中很重要也相对较为复杂，我们决定把特征分为两篇进行介绍，第一篇在之前已经讲过，现在就是第二篇：关于特征的进阶篇，会讲述一些你不常用到但是该了解的特性。

关联类型

在方法一章中，我们将到了关联函数，但是实际上关联类型和关联函数并没有任何交集，虽然它们的名字有一半的交集。

关联类型是在特征定义的语句块中，申明一个自定义类型，这样就可以在特征的方法签名中使用该类型：

pub trait Iterator 
    type Item;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;

以上是标准库中的迭代器特征Iterator，它有一个Item关联类型，用于替代遍历的值的类型。

同时,next方法也返回了一个Item类型，不过使用Option枚举进行了包裹，假如迭代器中的值是i32类型，那么调用next方法就将获取一个Option<i32>的值。

还记得Self吧？在之前的章节提到过, Self用来指代当前的特征实例 ,那么Self::Item就用来指代特征实例中具体的Item类型:

impl Iterator for Counter 
    type Item = u32;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> 
        // --snip--

在上述代码中，我们为Counter类型实现了Iterator特征，那么Self就是当前的Iterator特征对象，Item就是u32类型。

聪明的读者之所以聪明，因为你们喜欢联想和举一反三，同时你们也喜欢提问：为何不用泛型，例如如下代码

pub trait Iterator<Item> 
    fn next(&mut self) -> Option<Item>;

答案其实很简单，为了代码的可读性. 当你使用了泛型后，你需要在所有地方都这样写Iterator<Item>，而使用了关联类型，你只需要这样写Iterator，当类型定义复杂时，这种写法可以极大的增加可读性:

pub trait CacheableItem: Clone + Default + fmt::Debug + Decodable + Encodable 
  type Address: AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash;
  fn is_null(&self) -> bool;

例如上面的代码，Address自然远比AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash的要简单的多，而且含义清晰。

再例如，如果使用泛型，你将得到以下的代码：

trait Container<A,B> 
    fn contains(&self,a: A,b: B) -> bool;


fn difference<A,B,C>(container: &C) -> i32 where 
    C : Container<A,B> ...

而使用关联类型，将得到可读性好的多的代码:

trait Container
    type A;
    type B;
    fn contains(&self, a: &Self::A, b: &Self::B) -> bool;


fn difference<C: Container>(container: &C) 

默认泛型类型参数

当使用泛型类型参数时，可以为其指定一个默认的具体类型，例如标准库中的std::ops::Add特征：

trait Add<RHS=Self> 
    type Output;

    fn add(self, rhs: RHS) -> Self::Output;

它有一个泛型参数RHS，但是与我们以往的用法不同，这里它给RHS一个默认值，也就是当用户不指定RHS时，默认使用两个同样类型的值进行相加，然后返回一个关联类型Outpu。

可能上面那段不太好理解，下面我们用代码来举例：

use std::ops::Add;

#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point 
    x: i32,
    y: i32,


impl Add for Point 
    type Output = Point;

    fn add(self, other: Point) -> Point 
        Point 
            x: self.x + other.x,
            y: self.y + other.y,
        
    


fn main() 
    assert_eq!(Point  x: 1, y: 0  + Point  x: 2, y: 3 ,
               Point  x: 3, y: 3 );

上面的代码主要干了一件事，就是为Point结构体提供+的能力，这就是运算符重载，不过Rust并不支持创建自定义运算符，你也无法为所有运算符进行重载，目前来说，只有定义在std::ops中的运算符才能进行重载。

跟+对应的特征是std::ops::Add，我们在之前也看过它的定义trait Add<RHS=Self>，但是上面的例子中并没有为Point实现Add<RHS>特征，而是实现了Add特征，这意味着我们使用了RHS的默认类型，也就是Self。换句话说，我们这里定义的是两个相同的Point类型相加，因此无需指定RHS。

与上面的例子相反，下面的例子，我们来创建两个不同类型的相加：

use std::ops::Add;

struct Millimeters(u32);
struct Meters(u32);

impl Add<Meters> for Millimeters 
    type Output = Millimeters;

    fn add(self, other: Meters) -> Millimeters 
        Millimeters(self.0 + (other.0 * 1000))
    

这里，是进行Millimeters + Meters的操作，因此此时不能再使用默认的RHS，否则就会变成Millimeters + Millimeters的形式。使用Add<Meters>可以将RHS指定为Meters，那么fn add(self, rhs: RHS)自然而言的变成了Millimeters和Meters的相加.

默认类型参数主要用于两个方面：

1. 减少实现的样板代码
2. 扩展类型但是无需大幅修改现有的代码

之前的例子就是第一点，虽然效果也就那样。在+左右两边都是同样类型时，只需要impl Add即可，否则你需要impl Add<SOME_TYPE>，嗯，会多写几个字:)

对于第二点，也很好理解，如果你在一个复杂类型的基础上，新引入一个泛型参数，可能需要修改很多地方，但是如果新引入的泛型参数有了默认类型，情况就会好很多。

归根到底，默认泛型参数，是有用的，但是大多数情况下，咱们确实用不到，当需要用到时，大家再回头来查阅本章即可, 手上有剑,心中不慌.

调用同名的方法

不同特征拥有同名的方法是很正常的事情，你没有任何办法阻止这一点，甚至除了特征上的同名方法外，在你的类型上，也有同名方法:

trait Pilot 
    fn fly(&self);


trait Wizard 
    fn fly(&self);


struct Human;

impl Pilot for Human 
    fn fly(&self) 
        println!("This is your captain speaking.");
    


impl Wizard for Human 
    fn fly(&self) 
        println!("Up!");
    


impl Human 
    fn fly(&self) 
        println!("*waving arms furiously*");
    

这里，不仅仅两个特征Pilot和Wizard有fly方法，就连实现那两个特征的Human元结构体，也拥有一个同名方法fly(这世界怎么了，非常这么卷吗？程序员何苦难为程序员,哎).

既然代码已经不可更改，那下面我们来讲讲该如何调用这些fly方法。

优先调用类型上的方法

当调用Human实例的fly时，编译器默认调用该类型中定义的方法:

fn main() 
    let person = Human;
    person.fly();

这段代码会打印*waving arms furiously*，说明直接调用了类型上定义的方法。

调用特征上的方法

为了能够调用两个特征的方法，需要使用显式调用的语法：

fn main() 
    let person = Human;
    Pilot::fly(&person); // 调用Pilot特征上的方法
    Wizard::fly(&person); // 调用Wizard特征上的方法
    person.fly(); // 调用Human类型自身的方法

运行后依次输出:

fn main() 
    let person = Human;
    Pilot::fly(&person);
    Wizard::fly(&person);
    person.fly();

因为fly方法的参数是self，当显示的调用时，编译器就可以根据调用的类型(self的类型)决定具体调用哪个方法。

这个时候问题又来了，如果方法没有self参数呢？稍等，估计有读者会问：还有方法没有self参数？看到这个疑问，作者的眼泪不禁流了下来, 大明湖畔的关联函数，你还记得嘛？

但是成年人的世界，就算再伤心，事还得做，咱们继续：

trait Animal 
    fn baby_name() -> String;


struct Dog;

impl Dog 
    fn baby_name() -> String 
        String::from("Spot")
    


impl Animal for Dog 
    fn baby_name() -> String 
        String::from("puppy")
    


fn main() 
    println!("A baby dog is called a ", Dog::baby_name());

就像人类妈妈会给自己的宝宝起爱称一样，狗狗妈妈也会。狗狗妈称呼自己的宝宝为Spot，其它动物称呼狗宝宝为puppy, 这个时候假如有其它动物，不知道该称如何呼狗宝宝，它需要查询一下。

但是Dog::baby_name()的调用方式显然不行，这是狗妈妈对宝宝的爱称，但是如果你试图这样查询：

fn main() 
    println!("A baby dog is called a ", Animal::baby_name());

铛铛，无情报错了:

error[E0283]: type annotations needed // 需要类型注释
  --> src/main.rs:20:43
   |
20 |     println!("A baby dog is called a ", Animal::baby_name());
   |                                           ^^^^^^^^^^^^^^^^^ cannot infer type // 无法推断类型
   |
   = note: cannot satisfy `_: Animal`

因为单纯从Animal::baby_name()上，编译器无法得到任何有效的信息：你想获取哪个动物宝宝的名称？狗宝宝？猪宝宝？还是熊宝宝？

此时，就需要使用完全限定语法.

完全限定语法

完全限定语法是调用函数最为明确的方式:

fn main() 
    println!("A baby dog is called a ", <Dog as Animal>::baby_name());

在尖括号中，通过as关键字，我们向Rust编译器提供了类型注解，也就是Animal就是Dog，而不是其他动物，因此最终会调用impl Animal for Dog中的方法，获取到其它动物对狗宝宝的称呼：puppy.

言归正题，完全限定语法定义为:

<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);

对于关联函数，其没有一个方法接收器(receiver)，故只会有其他参数的列表。可以选择在任何函数或方法调用处使用完全限定语法, 同时，你还能省略任何Rust能够从程序中的其他信息中推导出的的部分。只有当存在多个同名实现而 Rust 需要帮助以便知道我们希望调用哪个实现时，才需要使用这个较为冗长的语法。

特征定义中的特征约束

有时，我们会需要让某个特征A能使用另一个特征B的功能(另一种形式的特征约束)，这种情况下，不仅仅要为类型实现特征A，还要为类型实现特征B才行，这就是supertrait(实在不知道该如何翻译，有大佬指导下嘛？)

例如有一个特征OutlinePrint，它有一个方法，能够对当前的实现类型进行格式化输出：

use std::fmt::Display;

trait OutlinePrint: Display 
    fn outline_print(&self) 
        let output = self.to_string();
        let len = output.len();
        println!("", "*".repeat(len + 4));
        println!("**", " ".repeat(len + 2));
        println!("*  *", output);
        println!("**", " ".repeat(len + 2));
        println!("", "*".repeat(len + 4));
    

等等，这里有一个眼熟的语法:OutlinePrint: Display，感觉很像之前讲过的特征约束，只不过用在了特征定义中而不是函数的参数中, 是的，在某种意义上来说，这和特征约束非常类似，都用来说明一个特征需要实现另一个特征，这里就是：如果你想要实现OutlinePrint特征，首先你需要实现Display特征。

想象一下，假如没有这个特征约束，那么self.to_string还能够调用吗(to_string方法会为实现Display特征的类型自动实现)？编译器肯定是不愿意的, 会报错说当前作用域中找不到用于&Self类型的方法to_string:

struct Point 
    x: i32,
    y: i32,


impl OutlinePrint for Point 

因为Point没有实现Display特征，会得到下面的报错：

error[E0277]: the trait bound `Point: std::fmt::Display` is not satisfied
  --> src/main.rs:20:6
   |
20 | impl OutlinePrint for Point 
   |      ^^^^^^^^^^^^ `Point` cannot be formatted with the default formatter;
try using `:?` instead if you are using a format string
   |
   = help: the trait `std::fmt::Display` is not implemented for `Point`

既然我们有求于编译器，那只能选择满足它咯：

use std::fmt;

impl fmt::Display for Point 
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result 
        write!(f, "(, )", self.x, self.y)
    

上面代码为Point实现了Display特征，那么to_string方法也将自动实现：最终获得字符串是通过这里的fmt方法获得的。

在外部类型上实现外部特征(newtype)

在特征章节中, 有提到孤儿规则，简单来说，就是特征或者类型必需至少有一个是本地的，才能在此类型上定义特征。

这里提供一个办法来绕过孤儿规则, 那就是使用newtype模式，简而言之: 就是为一个元组结构体创建新类型。该元组结构体封装有一个字段，该字段就是希望实现特征的具体类型。

该封装类型是本地的，因此我们可以为此类型实现外部的特征。

newtype不仅仅能实现以上的功能，而且它在运行时没有任何性能损耗，因为在编译期，该类型会被自动忽略。

下面来看一个例子，我们有一个动态数组类型：Vec<T>，它定义在标准库中，还有一个特征Display，它也定义在标准库中，如果没有newtype，我们是无法为Vec<T>实现Display的:

error[E0117]: only traits defined in the current crate can be implemented for arbitrary types  
--> src/main.rs:5:1
|
5 | impl<T> std::fmt::Display for Vec<T> 
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^------
| |                             |
| |                             Vec is not defined in the current crate
| impl doesn't use only types from inside the current crate
|
= note: define and implement a trait or new type instead

编译器给了我们提示：define and implement a trait or new type instead，重新定义一个特征，或者使用new type，前者当然不可行，那么来试试后者：

use std::fmt;

struct Wrapper(Vec<String>);

impl fmt::Display for Wrapper 
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result 
        write!(f, "[]", self.0.join(", "))
    


fn main() 
    let w = Wrapper(vec![String::from("hello"), String::from("world")]);
    println!("w = ", w);

其中，struct Wrapper(Vec<String>)就是一个元组结构体，它定义了一个新类型Wrapper，代码很简单，相信大家也很容易看懂。

既然new type有这么多好处，它有没有不好的地方呢？答案是肯定的。注意到我们怎么访问里面的数组吗？self.0.join(", "), 是的，很啰嗦，因为需要先从Wrapper中取出数组: self.0，然后才能执行join方法.

类似的，任何数组上的方法，你都无法直接调用，需要先用self.0取出数组，然后再进行调用。

当然，解决办法还是有的，要不怎么说Rust是极其强大灵活的编程语言！Rust提供了一个特征叫Deref，实现该特征后，可以自动做一层类似类型转换的操作，可以将Wrapper变成Vec<String>来使用。这样就会像直接使用数组那样去使用Wrapper，而无需为每一个操作都添加上self.0。

同时，如果不想Wrapper暴漏底层数组的所有方法，我们还可以为Wrapper去重载这些方法，实现隐藏的目的。