Rust语言圣经28 - 深入类型转换

Posted 2022-01-07 编程学院

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
欢迎大家加入Rust编程学院，一起学习交流:
QQ群：1009730433

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a和b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))

2. 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as和TryInto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)和<&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. 若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]>>与&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T的clone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_cloned和bar_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. 将&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>和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U。mem::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。