特征 Trait

如果我们想定义一个文件系统,那么把该系统跟底层存储解耦是很重要的。文件操作主要包含三个:openwriteread,这些操作可以发生在硬盘,可以发生在内存,还可以发生在网络IO甚至(...我实在编不下去了,大家来帮帮我)。总之如果你要为每一种情况都单独实现一套代码,那这种实现将过于繁杂,而且也没那个必要。

要解决上述问题,需要把这些行为抽象出来,就要使用 Rust 中的特征 trait 概念。可能你是第一次听说这个名词,但是不要怕,如果学过其他语言,那么大概率你听说过接口,没错,特征很类似接口。

在之前的代码中,我们也多次见过特征的使用,例如 #[derive(Debug)],它在我们定义的类型(struct)上自动派生 Debug 特征,接着可以使用 println!("{:?}", x) 打印这个类型;再例如:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn add<T: std::ops::Add<Output = T>>(a:T, b:T) -> T {
    a + b
}
}

通过 std::ops::Add 特征来限制 T,只有 T 实现了 std::ops::Add 才能进行合法的加法操作,毕竟不是所有的类型都能进行相加。

这些都说明一个道理,特征定义了一个可以被共享的行为,只要实现了特征,你就能使用该行为

定义特征

如果不同的类型具有相同的行为,那么我们就可以定义一个特征,然后为这些类型实现该特征。定义特征是把一些方法组合在一起,目的是定义一个实现某些目标所必需的行为的集合。

例如,我们现在有文章 Post 和微博 Weibo 两种内容载体,而我们想对相应的内容进行总结,也就是无论是文章内容,还是微博内容,都可以在某个时间点进行总结,那么总结这个行为就是共享的,因此可以用特征来定义:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Summary {
    fn summarize(&self) -> String;
}
}

这里使用 trait 关键字来声明一个特征,Summary 是特征名。在大括号中定义了该特征的所有方法,在这个例子中是: fn summarize(&self) -> String

特征只定义行为看起来是什么样的,而不定义行为具体是怎么样的。因此,我们只定义特征方法的签名,而不进行实现,此时方法签名结尾是 ;,而不是一个 {}

接下来,每一个实现这个特征的类型都需要具体实现该特征的相应方法,编译器也会确保任何实现 Summary 特征的类型都拥有与这个签名的定义完全一致的 summarize 方法。

为类型实现特征

因为特征只定义行为看起来是什么样的,因此我们需要为类型实现具体的特征,定义行为具体是怎么样的。

首先来为 PostWeibo 实现 Summary 特征:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Summary {
    fn summarize(&self) -> String;
}
pub struct Post {
    pub title: String, // 标题
    pub author: String, // 作者
    pub content: String, // 内容
}

impl Summary for Post {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("文章{}, 作者是{}", self.title, self.author)
    }
}

pub struct Weibo {
    pub username: String,
    pub content: String
}

impl Summary for Weibo {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("{}发表了微博{}", self.username, self.content)
    }
}
}

实现特征的语法与为结构体、枚举实现方法很像:impl Summary for Post,读作“为 Post 类型实现 Summary 特征”,然后在 impl 的花括号中实现该特征的具体方法。

接下来就可以在这个类型上调用特征的方法:

fn main() {
    let post = Post{title: "Rust语言简介".to_string(),author: "Sunface".to_string(), content: "Rust棒极了!".to_string()};
    let weibo = Weibo{username: "sunface".to_string(),content: "好像微博没Tweet好用".to_string()};

    println!("{}",post.summarize());
    println!("{}",weibo.summarize());
}

运行输出:

文章 Rust 语言简介, 作者是Sunface
sunface发表了微博好像微博没Tweet好用

说实话,如果特征仅仅如此,你可能会觉得花里胡哨没啥用,接下来就让你见识下 trait 真正的威力。

特征定义与实现的位置(孤儿规则)

上面我们将 Summary 定义成了 pub 公开的。这样,如果他人想要使用我们的 Summary 特征,则可以引入到他们的包中,然后再进行实现。

关于特征实现与定义的位置,有一条非常重要的原则:如果你想要为类型 A 实现特征 T,那么 A 或者 T 至少有一个是在当前作用域中定义的!。例如我们可以为上面的 Post 类型实现标准库中的 Display 特征,这是因为 Post 类型定义在当前的作用域中。同时,我们也可以在当前包中为 String 类型实现 Summary 特征,因为 Summary 定义在当前作用域中。

但是你无法在当前作用域中,为 String 类型实现 Display 特征,因为它们俩都定义在标准库中,其定义所在的位置都不在当前作用域,跟你半毛钱关系都没有,看看就行了。

该规则被称为孤儿规则,可以确保其它人编写的代码不会破坏你的代码,也确保了你不会莫名其妙就破坏了风马牛不相及的代码。

默认实现

你可以在特征中定义具有默认实现的方法,这样其它类型无需再实现该方法,或者也可以选择重载该方法:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Summary {
    fn summarize(&self) -> String {
        String::from("(Read more...)")
    }
}
}

上面为 Summary 定义了一个默认实现,下面我们编写段代码来测试下:


#![allow(unused)]
fn main() {
impl Summary for Post {}

impl Summary for Weibo {
    fn summarize(&self) -> String {
        format!("{}发表了微博{}", self.username, self.content)
    }
}
}

可以看到,Post 选择了默认实现,而 Weibo 重载了该方法,调用和输出如下:


#![allow(unused)]
fn main() {
    println!("{}",post.summarize());
    println!("{}",weibo.summarize());
}
(Read more...)
sunface发表了微博好像微博没Tweet好用

默认实现允许调用相同特征中的其他方法,哪怕这些方法没有默认实现。如此,特征可以提供很多有用的功能而只需要实现指定的一小部分内容。例如,我们可以定义 Summary 特征,使其具有一个需要实现的 summarize_author 方法,然后定义一个 summarize 方法,此方法的默认实现调用 summarize_author 方法:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Summary {
    fn summarize_author(&self) -> String;

    fn summarize(&self) -> String {
        format!("(Read more from {}...)", self.summarize_author())
    }
}
}

为了使用 Summary,只需要实现 summarize_author 方法即可:


#![allow(unused)]
fn main() {
impl Summary for Weibo {
    fn summarize_author(&self) -> String {
        format!("@{}", self.username)
    }
}
println!("1 new weibo: {}", weibo.summarize());

}

weibo.summarize() 会先调用 Summary 特征默认实现的 summarize 方法,通过该方法进而调用 WeiboSummary 实现的 summarize_author 方法,最终输出:1 new weibo: (Read more from @horse_ebooks...)

使用特征作为函数参数

之前提到过,特征如果仅仅是用来实现方法,那真的有些大材小用,现在我们来讲下,真正可以让特征大放光彩的地方。

现在,先定义一个函数,使用特征用做函数参数:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify(item: &impl Summary) {
    println!("Breaking news! {}", item.summarize());
}
}

impl Summary,只能说想出这个类型的人真的是起名鬼才,简直太贴切了,故名思义,它的意思是 实现了Summary特征item 参数。

你可以使用任何实现了 Summary 特征的类型作为该函数的参数,同时在函数体内,还可以调用该特征的方法,例如 summarize 方法。具体的说,可以传递 PostWeibo 的实例来作为参数,而其它类如 String 或者 i32 的类型则不能用做该函数的参数,因为它们没有实现 Summary 特征。

特征约束(trait bound)

虽然 impl Trait 这种语法非常好理解,但是实际上它只是一个语法糖:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify<T: Summary>(item: &T) {
    println!("Breaking news! {}", item.summarize());
}
}

真正的完整书写形式如上所述,形如 T: Summary 被称为特征约束

在简单的场景下 impl Trait 这种语法糖就足够使用,但是对于复杂的场景,特征约束可以让我们拥有更大的灵活性和语法表现能力,例如一个函数接受两个 impl Summary 的参数:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify(item1: &impl Summary, item2: &impl Summary) {}
}

如果函数两个参数是不同的类型,那么上面的方法很好,只要这两个类型都实现了 Summary 特征即可。但是如果我们想要强制函数的两个参数是同一类型呢?上面的语法就无法做到这种限制,此时我们只能使特征约束来实现:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify<T: Summary>(item1: &T, item2: &T) {}
}

泛型类型 T 说明了 item1item2 必须拥有同样的类型,同时 T: Summary 说明了 T 必须实现 Summary 特征。

多重约束

除了单个约束条件,我们还可以指定多个约束条件,例如除了让参数实现 Summary 特征外,还可以让参数实现 Display 特征以控制它的格式化输出:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify(item: &(impl Summary + Display)) {}
}

除了上述的语法糖形式,还能使用特征约束的形式:


#![allow(unused)]
fn main() {
pub fn notify<T: Summary + Display>(item: &T) {}
}

通过这两个特征,就可以使用 item.summarize 方法,以及通过 println!("{}", item) 来格式化输出 item

Where 约束

当特征约束变得很多时,函数的签名将变得很复杂:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn some_function<T: Display + Clone, U: Clone + Debug>(t: &T, u: &U) -> i32 {}
}

严格来说,上面的例子还是不够复杂,但是我们还是能对其做一些形式上的改进,通过 where


#![allow(unused)]
fn main() {
fn some_function<T, U>(t: &T, u: &U) -> i32
    where T: Display + Clone,
          U: Clone + Debug
{}
}

使用特征约束有条件地实现方法或特征

特征约束,可以让我们在指定类型 + 指定特征的条件下去实现方法,例如:


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::fmt::Display;

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

impl<T> Pair<T> {
    fn new(x: T, y: T) -> Self {
        Self {
            x,
            y,
        }
    }
}

impl<T: Display + PartialOrd> Pair<T> {
    fn cmp_display(&self) {
        if self.x >= self.y {
            println!("The largest member is x = {}", self.x);
        } else {
            println!("The largest member is y = {}", self.y);
        }
    }
}
}

cmp_display 方法,并不是所有的 Pair<T> 结构体对象都可以拥有,只有 T 同时实现了 Display + PartialOrdPair<T> 才可以拥有此方法。 该函数可读性会更好,因为泛型参数、参数、返回值都在一起,可以快速的阅读,同时每个泛型参数的特征也在新的代码行中通过特征约束进行了约束。

也可以有条件地实现特征, 例如,标准库为任何实现了 Display 特征的类型实现了 ToString 特征:


#![allow(unused)]
fn main() {
impl<T: Display> ToString for T {
    // --snip--
}
}

我们可以对任何实现了 Display 特征的类型调用由 ToString 定义的 to_string 方法。例如,可以将整型转换为对应的 String 值,因为整型实现了 Display


#![allow(unused)]
fn main() {
let s = 3.to_string();
}

函数返回中的 impl Trait

可以通过 impl Trait 来说明一个函数返回了一个类型,该类型实现了某个特征:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn returns_summarizable() -> impl Summary {
    Weibo {
        username: String::from("sunface"),
        content: String::from(
            "m1 max太厉害了,电脑再也不会卡",
        )
    }
}
}

因为 Weibo 实现了 Summary,因此这里可以用它来作为返回值。要注意的是,虽然我们知道这里是一个 Weibo 类型,但是对于 returns_summarizable 的调用者而言,他只知道返回了一个实现了 Summary 特征的对象,但是并不知道返回了一个 Weibo 类型。

这种 impl Trait 形式的返回值,在一种场景下非常非常有用,那就是返回的真实类型非常复杂,你不知道该怎么声明时(毕竟 Rust 要求你必须标出所有的类型),此时就可以用 impl Trait 的方式简单返回。例如,闭包和迭代器就是很复杂,只有编译器才知道那玩意的真实类型,如果让你写出来它们的具体类型,估计内心有一万只草泥马奔腾,好在你可以用 impl Iterator 来告诉调用者,返回了一个迭代器,因为所有迭代器都会实现 Iterator 特征。

但是这种返回值方式有一个很大的限制:只能有一个具体的类型,例如:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn returns_summarizable(switch: bool) -> impl Summary {
    if switch {
        Post {
            title: String::from(
                "Penguins win the Stanley Cup Championship!",
            ),
            author: String::from("Iceburgh"),
            content: String::from(
                "The Pittsburgh Penguins once again are the best \
                 hockey team in the NHL.",
            ),
        }
    } else {
        Weibo {
            username: String::from("horse_ebooks"),
            content: String::from(
                "of course, as you probably already know, people",
            ),
        }
    }
}
}

以上的代码就无法通过编译,因为它返回了两个不同的类型 PostWeibo

`if` and `else` have incompatible types
expected struct `Post`, found struct `Weibo`

报错提示我们 ifelse 返回了不同的类型。如果想要实现返回不同的类型,需要使用下一章节中的特征对象

修复上一节中的 largest 函数

还记得上一节中的例子吧,当时留下一个疑问,该如何解决编译报错:


#![allow(unused)]
fn main() {
error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T` // 无法在 `T` 类型上应用`>`运算符
 --> src/main.rs:5:17
  |
5 |         if item > largest {
  |            ---- ^ ------- T
  |            |
  |            T
  |
help: consider restricting type parameter `T` // 考虑使用以下的特征来约束 `T`
  |
1 | fn largest<T: std::cmp::PartialOrd>(list: &[T]) -> T {
  |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
}

largest 函数体中我们想要使用大于运算符(>)比较两个 T 类型的值。这个运算符是标准库中特征 std::cmp::PartialOrd 的一个默认方法。所以需要在 T 的特征约束中指定 PartialOrd,这样 largest 函数可以用于内部元素类型可比较大小的数组切片。

由于 PartialOrd 位于 prelude 中所以并不需要通过 std::cmp 手动将其引入作用域。所以可以将 largest 的签名修改为如下:


#![allow(unused)]
fn main() {
fn largest<T: PartialOrd>(list: &[T]) -> T {}
}

但是此时编译,又会出现新的错误:


#![allow(unused)]
fn main() {
error[E0508]: cannot move out of type `[T]`, a non-copy slice
 --> src/main.rs:2:23
  |
2 |     let mut largest = list[0];
  |                       ^^^^^^^
  |                       |
  |                       cannot move out of here
  |                       help: consider using a reference instead: `&list[0]`

error[E0507]: cannot move out of borrowed content
 --> src/main.rs:4:9
  |
4 |     for &item in list.iter() {
  |         ^----
  |         ||
  |         |hint: to prevent move, use `ref item` or `ref mut item`
  |         cannot move out of borrowed content
}

错误的核心是 cannot move out of type [T], a non-copy slice,原因是 T 没有实现 Copy 特性,因此我们只能把所有权进行转移,毕竟只有 i32 等基础类型才实现了 Copy 特性,可以存储在栈上,而 T 可以指代任何类型(严格来说是实现了 PartialOrd 特征的所有类型)。

因此,为了让 T 拥有 Copy 特性,我们可以增加特征约束:

fn largest<T: PartialOrd + Copy>(list: &[T]) -> T {
    let mut largest = list[0];

    for &item in list.iter() {
        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 char_list = vec!['y', 'm', 'a', 'q'];

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

如果并不希望限制 largest 函数只能用于实现了 Copy 特征的类型,我们可以在 T 的特征约束中指定 Clone 特征 而不是 Copy 特征。并克隆 list 中的每一个值使得 largest 函数拥有其所有权。使用 clone 函数意味着对于类似 String 这样拥有堆上数据的类型,会潜在地分配更多堆上空间,而堆分配在涉及大量数据时可能会相当缓慢。

另一种 largest 的实现方式是返回在 listT 值的引用。如果我们将函数返回值从 T 改为 &T 并改变函数体使其能够返回一个引用,我们将不需要任何 CloneCopy 的特征约束而且也不会有任何的堆分配。尝试自己实现这种替代解决方式吧!

通过 derive 派生特征

在本书中,形如 #[derive(Debug)] 的代码已经出现了很多次,这种是一种特征派生语法,被 derive 标记的对象会自动实现对应的默认特征代码,继承相应的功能。

例如 Debug 特征,它有一套自动实现的默认代码,当你给一个结构体标记后,就可以使用 println!("{:?}", s) 的形式打印该结构体的对象。

再如 Copy 特征,它也有一套自动实现的默认代码,当标记到一个类型上时,可以让这个类型自动实现 Copy 特征,进而可以调用 copy 方法,进行自我复制。

总之,derive 派生出来的是 Rust 默认给我们提供的特征,在开发过程中极大的简化了自己手动实现相应特征的需求,当然,如果你有特殊的需求,还可以自己手动重载该实现。

详细的 derive 列表参见附录-派生特征

调用方法需要引入特征

在一些场景中,使用 as 关键字做类型转换会有比较大的限制,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: i32 = 10;
  let b: u16 = 100;

  let b_ = 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,即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。

几个综合例子

为自定义类型实现 + 操作

在 Rust 中除了数值类型的加法,String 也可以做加法,因为 Rust 为该类型实现了 std::ops::Add 特征,同理,如果我们为自定义类型实现了该特征,那就可以自己实现 Point1 + Point2 的操作:

use std::ops::Add;

// 为Point结构体派生Debug特征,用于格式化输出
#[derive(Debug)]
struct Point<T: Add<T, Output = T>> { //限制类型T必须实现了Add特征,否则无法进行+操作。
    x: T,
    y: T,
}

impl<T: Add<T, Output = T>> Add for Point<T> {
    type Output = Point<T>;

    fn add(self, p: Point<T>) -> Point<T> {
        Point{
            x: self.x + p.x,
            y: self.y + p.y,
        }
    }
}

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

fn main() {
    let p1 = Point{x: 1.1f32, y: 1.1f32};
    let p2 = Point{x: 2.1f32, y: 2.1f32};
    println!("{:?}", add(p1, p2));

    let p3 = Point{x: 1i32, y: 1i32};
    let p4 = Point{x: 2i32, y: 2i32};
    println!("{:?}", add(p3, p4));
}

自定义类型的打印输出

在开发过程中,往往只要使用 #[derive(Debug)] 对我们的自定义类型进行标注,即可实现打印输出的功能:

#[derive(Debug)]
struct Point{
    x: i32,
    y: i32
}
fn main() {
    let p = Point{x:3,y:3};
    println!("{:?}",p);
}

但是在实际项目中,往往需要对我们的自定义类型进行自定义的格式化输出,以让用户更好的阅读理解我们的类型,此时就要为自定义类型实现 std::fmt::Display 特征:

#![allow(dead_code)]

use std::fmt;
use std::fmt::{Display};

#[derive(Debug,PartialEq)]
enum FileState {
  Open,
  Closed,
}

#[derive(Debug)]
struct File {
  name: String,
  data: Vec<u8>,
  state: FileState,
}

impl Display for FileState {
   fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
     match *self {
         FileState::Open => write!(f, "OPEN"),
         FileState::Closed => write!(f, "CLOSED"),
     }
   }
}

impl Display for File {
   fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
      write!(f, "<{} ({})>",
             self.name, self.state)
   }
}

impl File {
  fn new(name: &str) -> File {
    File {
        name: String::from(name),
        data: Vec::new(),
        state: FileState::Closed,
    }
  }
}

fn main() {
  let f6 = File::new("f6.txt");
  //...
  println!("{:?}", f6);
  println!("{}", f6);
}

以上两个例子较为复杂,目的是为读者展示下真实的使用场景长什么样,因此需要读者细细阅读,最终消化这些知识对于你的 Rust 之路会有莫大的帮助。

最后,特征和特征约束,是 Rust 中极其重要的概念,如果你还是没搞懂,强烈建议回头再看一遍,或者寻找相关的资料进行补充学习。如果已经觉得掌握了,那么就可以进入下一节的学习。

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