泛型与特征

此笔记记录于Rust Course，大多数为其中的摘要，少数为笔者自己的理解

泛型 Generics

简介

在开始讲解 Rust 的泛型之前，先来看看什么是多态。

在编程的时候，我们经常利用多态。通俗的讲，多态就是好比坦克的炮管，既可以发射普通弹药，也可以发射制导炮弹（导弹），也可以发射贫铀穿甲弹，甚至发射子母弹，没有必要为每一种炮弹都在坦克上分别安装一个专用炮管，即使生产商愿意，炮手也不愿意，累死人啊。所以在编程开发中，我们也需要这样“通用的炮管”，这个“通用的炮管”就是多态。

实际上，泛型就是一种多态。泛型主要目的是为程序员提供编程的便利，减少代码的臃肿，同时可以极大地丰富语言本身的表达能力，为程序员提供了一个合适的炮管。想想，一个函数，可以代替几十个，甚至数百个函数，是一件多么让人兴奋的事情

不是所有 T 类型都能进行相加操作，因此我们需要用 std::ops::Add<Output = T> 对 T 进行限制：

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

结构体中使用泛型

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

fn main() {
    let integer = Point { x: 5, y: 10 };
    let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 };
}

枚举中使用泛型

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}

这个枚举和 Option 一样，主要用于函数返回值，与 Option 用于值的存在与否不同，Result 关注的主要是值的正确性。

如果函数正常运行，则最后返回一个 Ok(T)，T 是函数具体的返回值类型，如果函数异常运行，则返回一个 Err(E)，E 是错误类型。例如打开一个文件：如果成功打开文件，则返回 Ok(std::fs::File)，因此 T 对应的是 std::fs::File 类型；而当打开文件时出现问题时，返回 Err(std::io::Error)，E 对应的就是 std::io::Error 类型。

方法中使用泛型

struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

impl<T> Point<T> {
    fn x(&self) -> &T {
        &self.x
    }
}

fn main() {
    let p = Point { x: 5, y: 10 };

    println!("p.x = {}", p.x());
}

使用泛型参数前，依然需要提前声明：impl<T>，只有提前声明了，我们才能在Point<T>中使用它，这样 Rust 就知道 Point 的尖括号中的类型是泛型而不是具体类型。需要注意的是，这里的 Point<T> 不再是泛型声明，而是一个完整的结构体类型，因为我们定义的结构体就是 Point<T> 而不再是 Point。

除了结构体中的泛型参数，我们还能在该结构体的方法中定义额外的泛型参数，就跟泛型函数一样：

struct Point<T, U> {
    x: T,
    y: U,
}

impl<T, U> Point<T, U> {
    fn mixup<V, W>(self, other: Point<V, W>) -> Point<T, W> {
        Point {
            x: self.x,
            y: other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    let p1 = Point { x: 5, y: 10.4 };
    let p2 = Point { x: "Hello", y: 'c'};

    let p3 = p1.mixup(p2);

    println!("p3.x = {}, p3.y = {}", p3.x, p3.y);
}

为具体的泛型类型实现方法：

impl Point<f32> {
    fn distance_from_origin(&self) -> f32 {
        (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
    }
}

const 泛型

参数是数组的泛型使用：

fn display_array<T: std::fmt::Debug>(arr: &[T]) {
    println!("{:?}", arr);
}
fn main() {
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(&arr);

    let arr: [i32;2] = [1,2];
    display_array(&arr);
}

唯一要注意的是需要对 T 加一个限制 std::fmt::Debug，该限制表明 T 可以用在 println!("{:?}", arr) 中，因为 {:?} 形式的格式化输出需要 arr 实现该特征。

如果在某些场景下引用不适宜用或者干脆不能用呢？

const 泛型，也就是针对值的泛型，正好可以用于处理数组长度的问题：

fn display_array<T: std::fmt::Debug, const N: usize>(arr: [T; N]) {
    println!("{:?}", arr);
}
fn main() {
    let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3];
    display_array(arr);

    let arr: [i32; 2] = [1, 2];
    display_array(arr);
}

N 就是 const 泛型，定义的语法是 const N: usize，表示 const 泛型 N ，它基于的值类型是 usize。

const 泛型表达式

假设我们某段代码需要在内存很小的平台上工作，因此需要限制函数参数占用的内存大小，此时就可以使用 const 泛型表达式来实现：

// 目前只能在 nightly 版本下使用
#![allow(incomplete_features)]
#![feature(generic_const_exprs)]

fn something<T>(val: T)
where
    Assert<{ core::mem::size_of::<T>() < 768 }>: IsTrue,
    //       ^-----------------------------^ 这里是一个 const 表达式，换成其它的 const 表达式也可以
{
    //
}

fn main() {
    something([0u8; 0]); // ok
    something([0u8; 512]); // ok
    something([0u8; 1024]); // 编译错误，数组长度是 1024 字节，超过了 768 字节的参数长度限制
}

// ---

pub enum Assert<const CHECK: bool> {
    //
}

pub trait IsTrue {
    //
}

impl IsTrue for Assert<true> {
    //
}

泛型的性能

在 Rust 中泛型是零成本的抽象，意味着你在使用泛型时，完全不用担心性能上的问题。

Rust 通过在编译时进行泛型代码的 单态化(monomorphization)来保证效率。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。