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,会讲述一些不常用到但是你该了解的特性。

关联类型

在方法一章中,我们讲到了关联函数,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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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 用来指代当前调用者的具体类型,那么 Self::Item 就用来指代该类型实现中定义的 Item 类型

impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;

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

fn main() {
    let c = Counter{..}
    c.next()
}

在上述代码中,我们为 Counter 类型实现了 Iterator 特征,变量 c 是特征 Iterator 的实例,也是 next 方法的调用者。 结合之前的黑体内容可以得出:对于 next 方法而言,Self 是调用者 c 的具体类型: Counter,而 Self::ItemCounter 中定义的 Item 类型: u32

聪明的读者之所以聪明,是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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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写 Iterator<Item>,而使用了关联类型,你只需要写 Iterator,当类型定义复杂时,这种写法可以极大的增加可读性:


#![allow(unused)]
fn main() {
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 的写法自然远比 AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash 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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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> {...}
}

可以看到,由于使用了泛型,导致函数头部也必须增加泛型的声明,而使用关联类型,将得到可读性好得多的代码:


#![allow(unused)]
fn main() {
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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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 Output

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。

+ 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(没有默认泛型类型参数),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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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 两种数据类型的 + 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 MillimetersMeters 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,添加泛型参数后,使用这个类型的代码需要逐个在类型提示部分添加泛型参数,就很麻烦;但是有了默认参数(且默认参数取之前的实现里假设的值的情况下)之后,原有的使用这个类型的代码就不需要做改动了。

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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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 PilotWizardfly 方法,就连实现那两个特征的 Human 单元结构体,也拥有一个同名方法 fly (这世界怎么了,非要这么卷吗?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:

This is your captain speaking.
Up!
*waving arms furiously*

因为 fly 方法的参数是 self,当显式调用时,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,狗妈妈也会。狗妈妈称呼自己的宝宝为Spot,其它动物称呼狗宝宝为puppy,这个时候假如有动物不知道该称如何呼狗宝宝,它需要查询一下。

Dog::baby_name() 的调用方式显然不行,因为这只是狗妈妈对宝宝的爱称,可能你会想到通过下面的方式查询其他动物对狗狗的称呼:

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

铛铛,无情报错了:


#![allow(unused)]
fn main() {
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:实现 Animal 特征的类型可能有很多,你究竟是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:


#![allow(unused)]
fn main() {
<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);
}

上面定义中,第一个参数是方法接收器 receiver (三种 self),只有方法才拥有,例如关联函数就没有 receiver

完全限定语法可以用于任何函数或方法调用,那么我们为何很少用到这个语法?原因是 Rust 编译器能根据上下文自动推导出调用的路径,因此大多数时候,我们都无需使用完全限定语法。只有当存在多个同名函数或方法,且 Rust 无法区分出你想调用的目标函数时,该用法才能真正有用武之地。

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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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


#![allow(unused)]
fn main() {
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:


#![allow(unused)]
fn main() {
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)

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。

课后练习

Rust By Practice,支持代码在线编辑和运行,并提供详细的习题解答