Rust学习教程16 - 结构体struct

Posted 2023-01-15 孙飞 Sunface

本文节选自<<Rust语言圣经>>一书
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结构体

在上一节，我们提到需要一个更高级的数据结构来帮助我们更好的抽象问题，而结构体strct恰恰就是这样的复合数据结构，它是由其它数据类型组合而来, 其它语言也有类似的数据结构，不过可能有不同的名称，例如object、record等。

结构体跟之前讲过的元组有些相像：都是由多种类型组合而成。但是与元组不同的是，结构体可以为内部的每个字段起一个富有含义的名称。因此结构体更加灵活更加强大，你无需依赖这些字段的顺序来访问和解析它们。

结构体语法

天下无敌的剑士往往也因为他有一炳无双之剑，既然结构体这么强大，那么我们就需要给它配套一套强大的语法，让用户能更好的驾驭。

定义结构体

定义结构体有几部分组成：

• 通过关键字struct定义
• 一个清晰明确的结构体名称
• 数个具名的结构体字段

例如以下结构体定义了某网站的用户：

struct User 
    active: bool,
    username: String,
    email: String,
    sign_in_count: u64,

该结构体名称是User，拥有4个具名的字段，且每个字段都有对应的类型声明，例如username代表了用户名，是一个可变的String类型。

创建结构体实例

为了使用上述结构体，我们需要创建User结构体的实例：

  let user1 = User 
        email: String::from("[e-mail]"),
        username: String::from("someusername123"),
        active: true,
        sign_in_count: 1,
;

有几点值得注意:

1. 初始化实例时，需要为每个字段都进行初始化
2. 初始化时的字段顺序无需按照定义的顺序来

访问结构体字段

通过.操作符即可访问结构体实例内部的字段值，并且也可以修改它们：

    let mut user1 = User 
        email: String::from("[e-mail]"),
        username: String::from("someusername123"),
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    ;

    user1.email = String::from("[e-mail]");

需要注意的是，必须要将整个结构体都声明为可变的，才能修改它，Rust不允许单独将某个字段标记为可变: let mut user1 = User ....

简化结构体创建

先看以下这个函数:

fn build_user(email: String, username: String) -> User 
    User 
        email: email,
        username: username,
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    

它接收两个字符串参数：email和username，然后使用它们来创建一个User结构体，并且返回。可以注意到这两行：email: email和username: username，非常的扎眼，因为实在太啰嗦了，如果你从typscript过来，肯定会鄙视Rust一番，不过好在，它也不是无可救药:

fn build_user(email: String, username: String) -> User 
    User 
        email,
        username,
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    

如上所示，当函数参数和结构体字段同名时，可以直接使用缩略的方式进行初始化，跟typescript中一模一样.

结构体更新语法

在实际场景中，有一种情况很常见：根据已有的结构体实例，创建新的结构体实例，例如根据已有的user1实例来构建user2：

  let user2 = User 
        active: user1.active,
        username: user1.username,
        email: String::from("[e-mail]"),
        sign_in_count: user1.sign_in_count,
    ;

老话重提，如果你从typescript过来，肯定觉得啰嗦爆了，手动把user1的三个字段逐个赋值给user2，好在Rust为我们提供了结构体更新语法:

  let user2 = User 
        email: String::from("[e-mail]"),
        ..user1
    ;

因为user2仅仅在email上与user1不同，因此我们只需要对email进行赋值，剩下的通过结构体更新语法..user1即可完成。

..语法说明我们没有显示声明的字段全部从user1中自动获取。需要注意的是..user1必须在结构体的尾部使用。

结构体更新语法跟赋值语句=非常相像，因此在上面代码中，user1的部分字段所有权被转移到user2中：username字段发生了所有权转移,作为结果，user1无法再被使用。

聪明的读者肯定要发问了：明明有三个字段进行了自动赋值，为何只有username发生了所有权转移？

仔细回想一下所有权那一节的内容，我们提到了Copy特征：实现了Copy特征的类型无需所有权转移，可以直接在赋值时进行
数据拷贝，其中bool和u64类型就实现了Copy特征，因此active和sign_in_count字段在赋值给user2时，仅仅发生了拷贝，而不是所有权转移.

值的注意的是：username所有权被转移给了user2,导致了user1无法再被使用，但是并不代表user1内部的字段不能被急需使用，例如:

 let user1 = User 
        email: String::from("[e-mail]"),
        username: String::from("someusername123"),
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    ;

    let user2 = User 
        active: user1.active,
        username: user1.username,
        email: String::from("[e-mail]"),
        sign_in_count: user1.sign_in_count,
    ;

    println!("", user1.active);

    // 下面这行会报错
    //println!("", user1);

结构体的内存排列

先看以下代码：

#[derive(Debug)]
 struct File 
   name: String,
   data: Vec<u8>,
 
 
 fn main() 
   let f1 = File 
     name: String::from("f1.txt"),
     data: Vec::new(),
   ;
 
   let f1_name = &f1.name;
   let f1_length = &f1.data.len();
 
   println!(":?", f1);
   println!(" is  bytes long", f1_name, f1_length);
 

上面定义的File结构体在内存中的排列如下图所示：

从图中可以清晰的看出File结构体两个字段name和data分别拥有底层两个[u8]数组的所有权(String类型的底层也是[u8]数组)，通过ptr指针指向底层数组的内存地址,这里你可以把ptr指针理解为Rust中的引用类型。

该图片也侧面印证了：把结构体中具有所有权的字段转移出去后，将无法再访问该字段，但是可以正常访问其它的字段.

元组结构体(Tuple Struct)

结构体必须要有名称，但是结构体的字段可以没有名称，这种结构体长得很像元组，因此被称为元组结构体，例如：

    struct Color(i32, i32, i32);
    struct Point(i32, i32, i32);

    let black = Color(0, 0, 0);
    let origin = Point(0, 0, 0);

元组结构体在你希望有一个整体名称，但是又不关心里面字段的名称时将非常有用。例如上面的Point元组结构体，众所周知3D点是(x,y,x)形式的坐标点，因此我们无需再为内部的字段逐一命名为：x,y,z。

元结构体(Unit-like Struct)

还记得之前讲过的基本没啥用的元类型吧? 元结构体就跟它很像，没有任何字段和属性，但是好在，它还挺有用。

如果你定义一个类型，但是不关心该类型的内容, 只关心它的行为时，就可以使用元结构体:

struct AlwaysEqual;

let subject = AlwaysEqual;

// 我们不关心为AlwaysEqual的字段数据，只关心它的行为，因此将它声明为元结构体，然后再为它实现某个特征
impl AlwaysEqual for SomeTrait 
    

结构体数据的所有权

在之前的User 结构体的定义中，我们使用了自身拥有所有权的 String 类型而不是基于引用的&str 字符串切片类型。这是一个有意而为之的选择，因为我们想要这个结构体拥有它所有的数据，而不是从其它地方借用数据。

你也可以让User结构体从其它对象借用数据，不过这么做，就需要引入生命周期这个新概念(也是一个复杂的概念),简而言之，生命周期能确保结构体的作用范围要比它所借用的数据的作用范围要大。

总之，如果你想在结构体中使用一个引用，就必须加上生命周期，否则就会报错：

struct User 
    username: &str,
    email: &str,
    sign_in_count: u64,
    active: bool,


fn main() 
    let user1 = User 
        email: "[e-mail]",
        username: "someusername123",
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    ;

编译器会抱怨它需要生命周期标识符：

error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> src/main.rs:2:15
  |
2 |     username: &str,
  |               ^ expected named lifetime parameter // 需要一个生命周期
  |
help: consider introducing a named lifetime parameter // 考虑像下面的代码这样引入一个生命周期
  |
1 ~ struct User<'a> 
2 ~     username: &'a str,
  |

error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> src/main.rs:3:12
  |
3 |     email: &str,
  |            ^ expected named lifetime parameter
  |
help: consider introducing a named lifetime parameter
  |
1 ~ struct User<'a> 
2 |     username: &str,
3 ~     email: &'a str,
  |

未来在生命周期中会讲到如何修复这个问题以便在结构体中存储引用，不过在那之前，我们会避免在结构体中使用引用类型。