Rust 泛型、Trait 和生命周期

2023-03-22 15:06 更新

ch10-00-generics.md
commit 9c0fa2714859738ff73cbbb829592e4c037d7e46

每一個(gè)編程語(yǔ)言都有高效處理重復(fù)概念的工具。在 Rust 中其工具之一就是泛型（generics）。泛型是具體類(lèi)型或其他屬性的抽象替代。我們可以表達(dá)泛型的屬性，比如他們的行為或如何與其他泛型相關(guān)聯(lián)，而不需要在編寫(xiě)和編譯代碼時(shí)知道他們?cè)谶@里實(shí)際上代表什么。

同理為了編寫(xiě)一份可以用于多種具體值的代碼，函數(shù)并不知道其參數(shù)為何值，這時(shí)就可以讓函數(shù)獲取泛型而不是像 i32 或 String 這樣的具體類(lèi)型。我們已經(jīng)使用過(guò)第六章的 Option<T>，第八章的 Vec<T> 和 HashMap<K, V>，以及第九章的 Result<T, E> 這些泛型了。本章會(huì)探索如何使用泛型定義我們自己的類(lèi)型、函數(shù)和方法！

首先，我們將回顧一下提取函數(shù)以減少代碼重復(fù)的機(jī)制。接下來(lái)，我們將使用相同的技術(shù)，從兩個(gè)僅參數(shù)類(lèi)型不同的函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)泛型函數(shù)。我們也會(huì)講到結(jié)構(gòu)體和枚舉定義中的泛型。

之后，我們討論 trait，這是一個(gè)定義泛型行為的方法。trait 可以與泛型結(jié)合來(lái)將泛型限制為擁有特定行為的類(lèi)型，而不是任意類(lèi)型。

最后介紹 生命周期（lifetimes），它是一類(lèi)允許我們向編譯器提供引用如何相互關(guān)聯(lián)的泛型。Rust 的生命周期功能允許在很多場(chǎng)景下借用值的同時(shí)仍然使編譯器能夠檢查這些引用的有效性。

提取函數(shù)來(lái)減少重復(fù)

在介紹泛型語(yǔ)法之前，首先來(lái)回顧一個(gè)不使用泛型的處理重復(fù)的技術(shù)：提取一個(gè)函數(shù)。當(dāng)熟悉了這個(gè)技術(shù)以后，我們將使用相同的機(jī)制來(lái)提取一個(gè)泛型函數(shù)！如同你識(shí)別出可以提取到函數(shù)中重復(fù)代碼那樣，你也會(huì)開(kāi)始識(shí)別出能夠使用泛型的重復(fù)代碼。

考慮一下這個(gè)尋找列表中最大值的小程序，如示例 10-1 所示：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = number_list[0];

    for number in number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);
}

示例 10-1：在一個(gè)數(shù)字列表中尋找最大值的函數(shù)

這段代碼獲取一個(gè)整型列表，存放在變量 number_list 中。它將列表的第一項(xiàng)放入了變量 largest 中。接著遍歷了列表中的所有數(shù)字，如果當(dāng)前值大于 largest 中儲(chǔ)存的值，將 largest 替換為這個(gè)值。如果當(dāng)前值小于或者等于目前為止的最大值，largest 保持不變。當(dāng)列表中所有值都被考慮到之后，largest 將會(huì)是最大值，在這里也就是 100。

如果需要在兩個(gè)不同的列表中尋找最大值，我們可以重復(fù)示例 10-1 中的代碼，這樣程序中就會(huì)存在兩段相同邏輯的代碼，如示例 10-2 所示：

文件名: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = number_list[0];

    for number in number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);

    let number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let mut largest = number_list[0];

    for number in number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);
}

示例 10-2：尋找兩個(gè) 數(shù)字列表最大值的代碼

雖然代碼能夠執(zhí)行，但是重復(fù)的代碼是冗余且容易出錯(cuò)的，并且意味著當(dāng)更新邏輯時(shí)需要修改多處地方的代碼。

為了消除重復(fù)，我們可以創(chuàng)建一層抽象，在這個(gè)例子中將表現(xiàn)為一個(gè)獲取任意整型列表作為參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行處理的函數(shù)。這將增加代碼的簡(jiǎn)潔性并讓我們將表達(dá)和推導(dǎo)尋找列表中最大值的這個(gè)概念與使用這個(gè)概念的特定位置相互獨(dú)立。

在示例 10-3 的程序中將尋找最大值的代碼提取到了一個(gè)叫做 largest 的函數(shù)中。這不同于示例 10-1 中的代碼只能在一個(gè)特定的列表中找到最大的數(shù)字，這個(gè)程序可以在兩個(gè)不同的列表中找到最大的數(shù)字。

文件名: src/main.rs

fn largest(list: &[i32]) -> i32 {
    let mut largest = list[0];

    for &item in list {
        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 number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let result = largest(&number_list);
    println!("The largest number is {}", result);
}

示例 10-3：抽象后的尋找兩個(gè)數(shù)字列表最大值的代碼

largest 函數(shù)有一個(gè)參數(shù) list，它代表會(huì)傳遞給函數(shù)的任何具體的 i32值的 slice。函數(shù)定義中的 list 代表任何 &[i32]。當(dāng)調(diào)用 largest 函數(shù)時(shí)，其代碼實(shí)際上運(yùn)行于我們傳遞的特定值上。目前不需要擔(dān)心 for 循環(huán)的語(yǔ)法。這里不是引用了一個(gè) i32 的引用，這里只是模式匹配并表明循環(huán)的值應(yīng)該是 &i32。第十八章會(huì)詳細(xì)介紹模式匹配。

總的來(lái)說(shuō)，從示例 10-2 到示例 10-3 中涉及的機(jī)制經(jīng)歷了如下幾步：