14 类型系统:有哪些必须掌握的trait? 你好,我是陈天。

开发软件系统时,我们弄清楚需求,要对需求进行架构上的分析和设计。在这个过程中,合理地定义和使用 trait,会让代码结构具有很好的扩展性,让系统变得非常灵活。

之前在 get hands dirty 系列中就粗略见识到了 trait 的巨大威力,使用了 From/TryFrom trait 进行类型间的转换([第 5 讲]),还使用了 Deref trait ([第 6 讲])让类型在不暴露其内部结构代码的同时,让内部结构的方法可以对外使用。

经过上两讲的学习,相信你现在对trait 的理解就深入了。在实际解决问题的过程中,用好这些 trait,会让你的代码结构更加清晰,阅读和使用都更加符合 Rust 生态的习惯。比如数据结构实现了 Debug trait,那么当你想打印数据结构时,就可以用 {:?} 来打印;如果你的数据结构实现了 From,那么,可以直接使用 into() 方法做数据转换。

trait

Rust 语言的标准库定义了大量的标准 trait,来先来数已经学过的,看看攒了哪些:

  • Clone/Copy trait,约定了数据被深拷贝和浅拷贝的行为;
  • Read/Write trait,约定了对 I/O 读写的行为;
  • Iterator,约定了迭代器的行为;
  • Debug,约定了数据如何被以 debug 的方式显示出来的行为;
  • Default,约定数据类型的缺省值如何产生的行为;
  • From/TryFrom,约定了数据间如何转换的行为。

我们会再学习几类重要的 trait,包括和内存分配释放相关的 trait、用于区别不同类型协助编译器做类型安全检查的标记 trait、进行类型转换的 trait、操作符相关的 trait,以及 Debug/Display/Default。

在学习这些 trait的过程中,你也可以结合之前讲的内容,有意识地思考一下Rust为什么这么设计,在增进对语言理解的同时,也能写出更加优雅的 Rust 代码。

内存相关:Clone/Copy/Drop

首先来看内存相关的 Clone/Copy/Drop。这三个 trait 在介绍所有权的时候已经学习过,这里我们再深入研究一下它们的定义和使用场景。

Clone trait

首先看 Clone: pub trait Clone { fn clone(&self) -> Self; fn clone_from(&mut self, source: &Self) { /*self = source.clone() } }

Clone trait 有两个方法,

clone() 和

clone_from() ,后者有缺省实现,所以平时我们只需要实现

clone() 方法即可。你也许会疑惑,这个

clone_from() 有什么作用呢?因为看起来

a.clone_from(&b) ,和

a = b.clone() 是等价的。

其实不是,如果 a 已经存在,在 clone 过程中会分配内存,那么**用

a.clone_from(&b) 可以避免内存分配,提高效率**。

Clone trait 可以通过派生宏直接实现,这样能简化不少代码。如果在你的数据结构里,每一个字段都已经实现了Clone trait,你可以用

/#[derive(Clone)] ,看下面的代码,定义了 Developer 结构和 Language 枚举: /#[derive(Clone, Debug)] struct Developer { name: String, age: u8, lang: Language } /#[allow(dead_code)] /#[derive(Clone, Debug)] enum Language { Rust, TypeScript, Elixir, Haskell } fn main() { let dev = Developer { name: “Tyr”.to_string(), age: 18, lang: Language::Rust }; let dev1 = dev.clone(); println!(“dev: {:?}, addr of dev name: {:p}”, dev, dev.name.as_str()); println!(“dev1: {:?}, addr of dev1 name: {:p}”, dev1, dev1.name.as_str()) }

如果没有为 Language 实现 Clone 的话,Developer 的派生宏 Clone 将会编译出错。运行这段代码可以看到,对于 name,也就是 String 类型的 Clone,其堆上的内存也被 Clone 了一份,所以 Clone 是深度拷贝,栈内存和堆内存一起拷贝。

值得注意的是,clone 方法的接口是 &self,这在绝大多数场合下都是适用的,我们在 clone 一个数据时只需要有已有数据的只读引用。但对 Rc 这样在 clone() 时维护引用计数的数据结构,clone() 过程中会改变自己,所以要用 Cell 这样提供内部可变性的结构来进行改变,如果你也有类似的需求,可以参考。

Copy trait

和 Clone trait 不同的是,Copy trait 没有任何额外的方法,它只是一个标记 trait(marker trait)。它的 trait 定义: pub trait Copy: Clone {}

所以看这个定义,如果要实现 Copy trait 的话,必须实现 Clone trait,然后实现一个空的 Copy trait。你是不是有点疑惑:这样不包含任何行为的 trait 有什么用呢?

这样的 trait 虽然没有任何行为,但它可以用作 trait bound 来进行类型安全检查,所以我们管它叫标记 trait

和 Clone 一样,如果数据结构的所有字段都实现了 Copy,也可以用

/#[derive(Copy)] 宏来为数据结构实现 Copy。试着为 Developer 和 Language 加上 Copy: /#[derive(Clone, Copy, Debug)] struct Developer { name: String, age: u8, lang: Language } /#[derive(Clone, Copy, Debug)] enum Language { Rust, TypeScript, Elixir, Haskell }

这个代码会出错。因为 String 类型没有实现 Copy。 因此,Developer 数据结构只能 clone,无法 copy。我们知道,如果类型实现了 Copy,那么在赋值、函数调用的时候,值会被拷贝,否则所有权会被移动。

所以上面的代码 Developer 类型在做参数传递时,会执行 Move 语义,而 Language 会执行 Copy 语义。

在讲所有权可变/不可变引用的时候提到,不可变引用实现了 Copy,而可变引用 &mut T 没有实现 Copy。为什么是这样?

因为如果可变引用实现了 Copy trait,那么生成一个可变引用然后把它赋值给另一个变量时,就会违背所有权规则:同一个作用域下只能有一个可变引用。可见,Rust 标准库在哪些结构可以 Copy、哪些不可以 Copy 上,有着仔细的考量。

Drop trait

在内存管理中已经详细探讨过 Drop trait。这里我们再看一下它的定义: pub trait Drop { fn drop(&mut self); }

大部分场景无需为数据结构提供 Drop trait,系统默认会依次对数据结构的每个域做 drop。但有两种情况你可能需要手工实现 Drop。

第一种是希望在数据结束生命周期的时候做一些事情,比如记日志。

第二种是需要对资源回收的场景。编译器并不知道你额外使用了哪些资源,也就无法帮助你 drop 它们。比如说锁资源的释放,在 MutexGuard 中实现了 Drop 来释放锁资源: impl<T: ?Sized> Drop for MutexGuard<’_, T> { /#[inline] fn drop(&mut self) { unsafe { self.lock.poison.done(&self.poison); self.lock.inner.raw_unlock(); } } }

需要注意的是,Copy trait 和 Drop trait 是互斥的,两者不能共存,当你尝试为同一种数据类型实现 Copy 时,也实现 Drop,编译器就会报错。这其实很好理解:Copy是按位做浅拷贝,那么它会默认拷贝的数据没有需要释放的资源;而Drop恰恰是为了释放额外的资源而生的

我们还是写一段代码来辅助理解,在代码中,强行用 Box::into_raw 获得堆内存的指针,放入 RawBuffer 结构中,这样就接管了这块堆内存的释放。

虽然 RawBuffer 可以实现 Copy trait,但这样一来就无法实现 Drop trait。如果程序非要这么写,会导致内存泄漏,因为该释放的堆内存没有释放。

但是这个操作不会破坏 Rust 的正确性保证:即便你 Copy 了 N 份 RawBuffer,由于无法实现 Drop trait,RawBuffer 指向的那同一块堆内存不会释放,所以不会出现 use after free 的内存安全问题。(代码) use std::{fmt, slice}; // 注意这里,我们实现了 Copy,这是因为 /mut u8/usize 都支持 Copy /#[derive(Clone, Copy)] struct RawBuffer { // 裸指针用 /const//mut 来表述,这和引用的 & 不同 ptr: /mut u8, len: usize, } impl From<Vec> for RawBuffer { fn from(vec: Vec) -> Self { let slice = vec.into_boxed_slice(); Self { len: slice.len(), // into_raw 之后,Box 就不管这块内存的释放了,RawBuffer 需要处理释放 ptr: Box::into_raw(slice) as /*mut u8, } } } // 如果 RawBuffer 实现了 Drop trait,就可以在所有者退出时释放堆内存 // 然后,Drop trait 会跟 Copy trait 冲突,要么不实现 Copy,要么不实现 Drop // 如果不实现 Drop,那么就会导致内存泄漏,但它不会对正确性有任何破坏 // 比如不会出现 use after free 这样的问题。 // 你可以试着把下面注释去掉,看看会出什么问题 // impl Drop for RawBuffer { // /#[inline] // fn drop(&mut self) { // let data = unsafe { Box::from_raw(slice::from_raw_parts_mut(self.ptr, self.len)) }; // drop(data) // } // } impl fmt::Debug for RawBuffer { fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result { let data = self.as_ref(); write!(f, "{:p}: {:?}", self.ptr, data) } } impl AsRef<[u8]> for RawBuffer { fn as_ref(&self) -> &[u8] { unsafe { slice::from_raw_parts(self.ptr, self.len) } } } fn main() { let data = vec![1, 2, 3, 4]; let buf: RawBuffer = data.into(); // 因为 buf 允许 Copy,所以这里 Copy 了一份 use_buffer(buf); // buf 还能用 println!("buf: {:?}", buf); } fn use_buffer(buf: RawBuffer) { println!("buf to die: {:?}", buf); // 这里不用特意 drop,写出来只是为了说明 Copy 出来的 buf 被 Drop 了 drop(buf) }

对于代码安全来说,内存泄漏危害大?还是 use after free 危害大呢?肯定是后者。Rust 的底线是内存安全,所以两害相权取其轻。

实际上,任何编程语言都无法保证不发生人为的内存泄漏,比如程序在运行时,开发者疏忽了,对哈希表只添加不删除,就会造成内存泄漏。但 Rust 会保证即使开发者疏忽了,也不会出现内存安全问题。

建议你仔细阅读这段代码中的注释,试着把注释掉的 Drop trait 恢复,然后再把代码改得可以编译通过,认真思考一下 Rust 这样做的良苦用心。

标记 trait:Sized/Send/Sync/Unpin

好,讲完内存相关的主要 trait,来看标记 trait。

刚才我们已经看到了一个标记 trait:Copy。Rust 还支持其它几种标记 trait:Sized/Send/Sync/Unpin

Sized trait 用于标记有具体大小的类型。在使用泛型参数时,Rust 编译器会自动为泛型参数加上 Sized 约束,比如下面的 Data 和处理 Data 的函数 process_data: struct Data { inner: T, } fn process_data(data: Data) { todo!(); }

它等价于:

struct Data<T: Sized> { inner: T, } fn process_data<T: Sized>(data: Data) { todo!(); }

大部分时候,我们都希望能自动添加这样的约束,因为这样定义出的泛型结构,在编译期,大小是固定的,可以作为参数传递给函数。如果没有这个约束,T 是大小不固定的类型, process_data 函数会无法编译。

但是这个自动添加的约束有时候不太适用,在少数情况下,需要 T 是可变类型的,怎么办?Rust 提供了 ?Sized 来摆脱这个约束

如果开发者显式定义了

T: ?Sized ,那么 T 就可以是任意大小。如果你对([第12讲])之前说的 Cow 还有印象,可能会记得 Cow 中泛型参数 B 的约束是 ?Sized: pub enum Cow<’a, B: ?Sized + ‘a> where B: ToOwned, { // 借用的数据 Borrowed(&’a B), // 拥有的数据 Owned(::Owned), }

这样 B 就可以是 [T] 或者 str 类型,大小都是不固定的。要注意 Borrowed(&‘a B) 大小是固定的,因为它内部是对 B 的一个引用,而引用的大小是固定的。

Send/Sync

说完了 Sized,我们再来看 Send/Sync,定义是: pub unsafe auto trait Send {} pub unsafe auto trait Sync {}

这两个 trait 都是 unsafe auto trait,auto 意味着编译器会在合适的场合,自动为数据结构添加它们的实现,而 unsafe 代表实现的这个 trait 可能会违背 Rust 的内存安全准则,如果开发者手工实现这两个 trait ,要自己为它们的安全性负责。

Send/Sync 是 Rust 并发安全的基础:

  • 如果一个类型 T 实现了 Send trait,意味着 T 可以安全地从一个线程移动到另一个线程,也就是说所有权可以在线程间移动。
  • 如果一个类型 T 实现了 Sync trait,则意味着 &T 可以安全地在多个线程中共享。一个类型 T 满足 Sync trait,当且仅当 &T 满足 Send trait。

对于 Send/Sync 在线程安全中的作用,可以这么看,如果一个类型T: Send,那么 T 在某个线程中的独占访问是线程安全的;如果一个类型 T: Sync,那么 T 在线程间的只读共享是安全的

对于我们自己定义的数据结构,如果其内部的所有域都实现了 Send/Sync,那么这个数据结构会被自动添加 Send/Sync 。基本上原生数据结构都支持 Send/Sync,也就是说,绝大多数自定义的数据结构都是满足 Send/Sync 的。标准库中,不支持 Send/Sync 的数据结构主要有:

  • 裸指针 /const T//mut T。它们是不安全的,所以既不是 Send 也不是 Sync。
  • UnsafeCell 不支持 Sync。也就是说,任何使用了 Cell 或者 RefCell 的数据结构不支持 Sync。
  • 引用计数 Rc 不支持 Send 也不支持 Sync。所以 Rc 无法跨线程。

之前介绍过 Rc/RefCell([第9讲]),我们来看看,如果尝试跨线程使用 Rc/RefCell,会发生什么。在 Rust 下,如果想创建一个新的线程,需要使用 std::thread::spawn: pub fn spawn<F, T>(f: F) -> JoinHandle where F: FnOnce() -> T, F: Send + 'static, T: Send + 'static,

它的参数是一个闭包(后面会讲),这个闭包需要 Send + ‘static:

  • ‘static 意思是闭包捕获的自由变量必须是一个拥有所有权的类型,或者是一个拥有静态生命周期的引用;
  • Send 意思是,这些被捕获自由变量的所有权可以从一个线程移动到另一个线程。

从这个接口上,可以得出结论:如果在线程间传递 Rc,是无法编译通过的,因为 Rc 的实现不支持 Send 和 Sync。写段代码验证一下(代码): // Rc 既不是 Send,也不是 Sync fn rc_is_not_send_and_sync() { let a = Rc::new(1); let b = a.clone(); let c = a.clone(); thread::spawn(move || { println!(“c= {:?}”, c); }); }

果然,这段代码不通过。-

那么,RefCell 可以在线程间转移所有权么?RefCell 实现了 Send,但没有实现 Sync,所以,看起来是可以工作的(代码): fn refcell_is_send() { let a = RefCell::new(1); thread::spawn(move || { println!(“a= {:?}”, a); }); }

验证一下发现,这是 OK 的。

既然 Rc 不能 Send,我们无法跨线程使用 Rc> 这样的数据,那么使用支持 Send/Sync 的 Arc呢,使用 Arc> 来获得,一个可以在多线程间共享,且可以修改的类型,可以么(代码)? // RefCell 现在有多个 Arc 持有它,虽然 Arc 是 Send/Sync,但 RefCell 不是 Sync fn refcell_is_not_sync() { let a = Arc::new(RefCell::new(1)); let b = a.clone(); let c = a.clone(); thread::spawn(move || { println!(“c= {:?}”, c); }); }

不可以。

因为 Arc 内部的数据是共享的,需要支持 Sync 的数据结构,但是RefCell 不是 Sync,编译失败。所以在多线程情况下,我们只能使用支持 Send/Sync 的 Arc ,和 Mutex 一起,构造一个可以在多线程间共享且可以修改的类型(代码): use std::{ sync::{Arc, Mutex}, thread, }; // Arc<Mutex> 可以多线程共享且修改数据 fn arc_mutext_is_send_sync() { let a = Arc::new(Mutex::new(1)); let b = a.clone(); let c = a.clone(); let handle = thread::spawn(move || { let mut g = c.lock().unwrap(); /*g += 1; }); { let mut g = b.lock().unwrap(); /*g += 1; } handle.join().unwrap(); println!("a= {:?}", a); } fn main() { arc_mutext_is_send_sync(); }

这几段代码建议你都好好阅读和运行一下,对于编译出错的情况,仔细看看编译器给出的错误,会帮助你理解好 Send/Sync trait 以及它们如何保证并发安全。

最后一个标记 trait Unpin,是用于自引用类型的,在后面讲到 Future trait 时,再详细讲这个 trait。

类型转换相关:From/Into/AsRef/AsMut

好,学完了标记 trait,来看看和类型转换相关的 trait。在软件开发的过程中,我们经常需要在某个上下文中,把一种数据结构转换成另一种数据结构。

不过转换有很多方式,看下面的代码,你觉得哪种方式更好呢? // 第一种方法,为每一种转换提供一个方法 // 把字符串 s 转换成 Path let v = s.to_path(); // 把字符串 s 转换成 u64 let v = s.to_u64(); // 第二种方法,为 s 和要转换的类型之间实现一个 Into trait // v 的类型根据上下文得出 let v = s.into(); // 或者也可以显式地标注 v 的类型 let v: u64 = s.into();

第一种方式,在类型 T 的实现里,要为每一种可能的转换提供一个方法;第二种,我们为类型 T 和类型 U 之间的转换实现一个数据转换 trait,这样可以用同一个方法来实现不同的转换。

显然,第二种方法要更好,因为它符合软件开发的开闭原则(Open-Close Principle),“软件中的对象(类、模块、函数等等)对扩展是开放的,但是对修改是封闭的”。

在第一种方式下,未来每次要添加对新类型的转换,都要重新修改类型 T 的实现,而第二种方式,我们只需要添加一个对于数据转换 trait 的新实现即可。

基于这个思路,对值类型的转换和对引用类型的转换,Rust 提供了两套不同的 trait:

  • 值类型到值类型的转换:From/Into/TryFrom/TryInto
  • 引用类型到引用类型的转换:AsRef/AsMut

From/Into

先看 FromInto。这两个 trait 的定义如下: pub trait From { fn from(T) -> Self; } pub trait Into { fn into(self) -> T; }

在实现 From 的时候会自动实现 Into。这是因为:

// 实现 From 会自动实现 Into impl<T, U> Into for T where U: From { fn into(self) -> U { U::from(self) } }

所以大部分情况下,只用实现 From,然后这两种方式都能做数据转换,比如:

let s = String::from(“Hello world!”); let s: String = “Hello world!”.into();

这两种方式是等价的,怎么选呢?From 可以根据上下文做类型推导,使用场景更多;而且因为实现了 From 会自动实现 Into,反之不会。所以需要的时候,不要去实现 Into,只要实现 From 就好了

此外,From 和 Into 还是自反的:把类型 T 的值转换成类型 T,会直接返回。这是因为标准库有如下的实现: // From(以及 Into)是自反的 impl From for T { fn from(t: T) -> T { t } }

有了 From 和 Into,很多函数的接口就可以变得灵活,比如函数如果接受一个 IpAddr 为参数,我们可以使用 Into 让更多的类型可以被这个函数使用,看下面的代码

use std::net::{IpAddr, Ipv4Addr, Ipv6Addr}; fn print(v: impl Into) { println!("{:?}", v.into()); } fn main() { let v4: Ipv4Addr = "2.2.2.2".parse().unwrap(); let v6: Ipv6Addr = "::1".parse().unwrap(); // IPAddr 实现了 From<[u8; 4],转换 IPv4 地址 print([1, 1, 1, 1]); // IPAddr 实现了 From<[u16; 8],转换 IPv6 地址 print([0xfe80, 0, 0, 0, 0xaede, 0x48ff, 0xfe00, 0x1122]); // IPAddr 实现了 From print(v4); // IPAddr 实现了 From print(v6); }

所以,合理地使用 From/Into,可以让代码变得简洁,符合 Rust 可读性强的风格,更符合开闭原则。

注意,如果你的数据类型在转换过程中有可能出现错误,可以使用 TryFromTryInto,它们的用法和 From/Into 一样,只是 trait 内多了一个关联类型 Error,且返回的结果是 Result。

AsRef/AsMut

搞明白了 From/Into 后,AsRef 和 AsMut 就很好理解了,用于从引用到引用的转换。还是先看它们的定义: pub trait AsRef where T: ?Sized { fn as_ref(&self) -> &T; } pub trait AsMut where T: ?Sized { fn as_mut(&mut self) -> &mut T; }

在 trait 的定义上,都允许 T 使用大小可变的类型,如 str、[u8] 等。AsMut 除了使用可变引用生成可变引用外,其它都和 AsRef 一样,所以我们重点看 AsRef。

看标准库中打开文件的接口 std::fs::File::open: pub fn open<P: AsRef>(path: P) -> Result

它的参数 path 是符合 AsRef 的类型,所以,你可以为这个参数传入 String、&str、PathBuf、Path 等类型。而且,当你使用 path.as_ref() 时,会得到一个 &Path。

来写一段代码体验一下 AsRef 的使用和实现(代码): /#[allow(dead_code)] enum Language { Rust, TypeScript, Elixir, Haskell, } impl AsRef for Language { fn as_ref(&self) -> &str { match self { Language::Rust => "Rust", Language::TypeScript => "TypeScript", Language::Elixir => "Elixir", Language::Haskell => "Haskell", } } } fn print_ref(v: impl AsRef) { println!("{}", v.as_ref()); } fn main() { let lang = Language::Rust; // &str 实现了 AsRef print_ref("Hello world!"); // String 实现了 AsRef print_ref("Hello world!".to_string()); // 我们自己定义的 enum 也实现了 AsRef print_ref(lang); }

现在对在 Rust 下,如何使用 From/Into/AsRef/AsMut 进行类型间转换,有了深入了解,未来我们还会在实战中使用到这些 trait。

刚才的小例子中要额外说明一下的是,如果你的代码出现 v.as_ref().clone() 这样的语句,也就是说你要对 v 进行引用转换,然后又得到了拥有所有权的值,那么你应该实现 From,然后做 v.into()。

操作符相关:Deref/DerefMut

操作符相关的 trait ,上一讲我们已经看到了 Add trait,它允许你重载加法运算符。Rust 为所有的运算符都提供了 trait,你可以为自己的类型重载某些操作符。这里用下图简单概括一下,更详细的信息你可以阅读官方文档

今天重点要介绍的操作符是 DerefDerefMut。来看它们的定义: pub trait Deref { // 解引用出来的结果类型 type Target: ?Sized; fn deref(&self) -> &Self::Target; } pub trait DerefMut: Deref { fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target; }

可以看到,DerefMut “继承”了 Deref,只是它额外提供了一个 deref_mut 方法,用来获取可变的解引用。所以这里重点学习 Deref。

对于普通的引用,解引用很直观,因为它只有一个指向值的地址,从这个地址可以获取到所需要的值,比如下面的例子: let mut x = 42; let y = &mut x; // 解引用,内部调用 DerefMut(其实现就是 /self) /y += 1;

但对智能指针来说,拿什么域来解引用就不那么直观了,我们来看之前学过的 Rc 是怎么实现 Deref 的:

impl<T: ?Sized> Deref for Rc { type Target = T; fn deref(&self) -> &T { &self.inner().value } }

可以看到,它最终指向了堆上的 RcBox 内部的 value 的地址,然后如果对其解引用的话,得到了 value 对应的值。以下图为例,最终打印出 v = 1。-

从图中还可以看到,Deref 和 DerefMut 是自动调用的,/b 会被展开为 /(b.deref())。

在 Rust 里,绝大多数智能指针都实现了 Deref,我们也可以为自己的数据结构实现 Deref。看一个例子(代码): use std::ops::{Deref, DerefMut}; /#[derive(Debug)] struct Buffer(Vec); impl Buffer { pub fn new(v: impl Into<Vec>) -> Self { Self(v.into()) } } impl Deref for Buffer { type Target = [T]; fn deref(&self) -> &Self::Target { &self.0 } } impl DerefMut for Buffer { fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target { &mut self.0 } } fn main() { let mut buf = Buffer::new([1, 3, 2, 4]); // 因为实现了 Deref 和 DerefMut,这里 buf 可以直接访问 Vec 的方法 // 下面这句相当于:(&mut buf).deref_mut().sort(),也就是 (&mut buf.0).sort() buf.sort(); println!("buf: {:?}", buf); }

但是在这个例子里,数据结构 Buffer 包裹住了 Vec,但这样一来,原本 Vec 实现了的很多方法,现在使用起来就很不方便,需要用 buf.0 来访问。怎么办?

可以实现 Deref 和 DerefMut,这样在解引用的时候,直接访问到 buf.0,省去了代码的啰嗦和数据结构内部字段的隐藏。

在这段代码里,还有一个值得注意的地方:写 buf.sort() 的时候,并没有做解引用的操作,为什么会相当于访问了 buf.0.sort() 呢?这是因为 sort() 方法第一个参数是 &mut self,此时 Rust 编译器会强制做 Deref/DerefMut 的解引用,所以这相当于 (/*(&mut buf)).sort()。

其它:Debug/Display/Default

现在我们对运算符相关的 trait 有了足够的了解,最后来看看其它一些常用的 trait:Debug/Display/Default

先看 Debug/Display,它们的定义如下: pub trait Debug { fn fmt(&self, f: &mut Formatter<’>) -> Result<(), Error>; } pub trait Display { fn fmt(&self, f: &mut Formatter<’>) -> Result<(), Error>; }

可以看到,Debug 和 Display 两个 trait 的签名一样,都接受一个 &self 和一个 &mut Formatter。那为什么要有两个一样的 trait 呢?

这是因为 Debug 是为开发者调试打印数据结构所设计的,而 Display 是给用户显示数据结构所设计的。这也是为什么 Debug trait 的实现可以通过派生宏直接生成,而 Display 必须手工实现。在使用的时候,Debug 用 {:?} 来打印,Display 用 {} 打印。

最后看 Default trait。它的定义如下: pub trait Default { fn default() -> Self; }

Default trait 用于为类型提供缺省值。它也可以通过 derive 宏 /#[derive(Default)] 来生成实现,前提是类型中的每个字段都实现了 Default trait。在初始化一个数据结构时,我们可以部分初始化,然后剩余的部分使用 Default::default()。

Debug/Display/Default 如何使用,统一看个例子(代码): use std::fmt; // struct 可以 derive Default,但我们需要所有字段都实现了 Default /#[derive(Clone, Debug, Default)] struct Developer { name: String, age: u8, lang: Language, } // enum 不能 derive Default /#[allow(dead_code)] /#[derive(Clone, Debug)] enum Language { Rust, TypeScript, Elixir, Haskell, } // 手工实现 Default impl Default for Language { fn default() -> Self { Language::Rust } } impl Developer { pub fn new(name: &str) -> Self { // 用 ..Default::default() 为剩余字段使用缺省值 Self { name: name.to_owned(), ..Default::default() } } } impl fmt::Display for Developer { fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<’_>) -> fmt::Result { write!( f, “{}({} years old): {:?} developer”, self.name, self.age, self.lang ) } } fn main() { // 使用 T::default() let dev1 = Developer::default(); // 使用 Default::default(),但此时类型无法通过上下文推断,需要提供类型 let dev2: Developer = Default::default(); // 使用 T::new let dev3 = Developer::new(“Tyr”); println!(“dev1: {}\ndev2: {}\ndev3: {:?}”, dev1, dev2, dev3); }

它们实现起来非常简单,你可以看文中的代码。

小结

今天介绍了内存管理、类型转换、操作符、数据显示等相关的基本 trait,还介绍了标记 trait,它是一种特殊的 trait,主要是用于协助编译器检查类型安全。-

在我们使用 Rust 开发时,trait 占据了非常核心的地位。一个设计良好的 trait 可以大大提升整个系统的可用性和扩展性

很多优秀的第三方库,都围绕着 trait 展开它们的能力,比如上一讲提到的 tower-service 中的 Service trait,再比如你日后可能会经常使用到的 parser combinator 库 nomParser trait

因为 trait 实现了延迟绑定。不知道你是否还记得,之前串讲编程基础概念的时候,就谈到了延迟绑定。在软件开发中,延迟绑定会带来极大的灵活性。

从数据的角度看,数据结构是具体数据的延迟绑定,泛型结构是具体数据结构的延迟绑定;从代码的角度看,函数是一组实现某个功能的表达式的延迟绑定,泛型函数是函数的延迟绑定。那么 trait 是什么的延迟绑定呢?

trait 是行为的延迟绑定。我们可以在不知道具体要处理什么数据结构的前提下,先通过 trait 把系统的很多行为约定好。这也是为什么开头解释标准trait时,频繁用到了“约定……行为”。

相信通过今天的学习,你能对 trait 有更深刻的认识,在撰写自己的数据类型时,就能根据需要实现这些 trait。

思考题

  • Vec 可以实现 Copy trait 么?为什么?-
  • 在使用 Arc> 时,为什么下面这段代码可以直接使用 shared.lock()?

use std::sync::{Arc, Mutex}; let shared = Arc::new(Mutex::new(1)); let mut g = shared.lock().unwrap(); /*g += 1;

3.有余力的同学可以尝试一下,为下面的 List 类型实现 Index,使得所有的测试都能通过。这段代码使用了 std::collections::LinkedList,你可以参考官方文档阅读它支持的方法(代码): use std::{ collections::LinkedList, ops::{Deref, DerefMut, Index}, }; struct List(LinkedList); impl Deref for List { type Target = LinkedList; fn deref(&self) -> &Self::Target { &self.0 } } impl DerefMut for List { fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target { &mut self.0 } } impl Default for List { fn default() -> Self { Self(Default::default()) } } impl Index for List { type Output = T; fn index(&self, index: isize) -> &Self::Output { todo!(); } } /#[test] fn it_works() { let mut list: List = List::default(); for i in 0..16 { list.push_back(i); } assert_eq!(list[0], 0); assert_eq!(list[5], 5); assert_eq!(list[15], 15); assert_eq!(list[16], 0); assert_eq!(list[-1], 15); assert_eq!(list[128], 0); assert_eq!(list[-128], 0); }

今天你已经完成了Rust学习的第14次打卡,坚持学习,如果你觉得有收获,也欢迎分享给身边的朋友,邀TA一起讨论。我们下节课见~

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e9%99%88%e5%a4%a9%20%c2%b7%20Rust%20%e7%bc%96%e7%a8%8b%e7%ac%ac%e4%b8%80%e8%af%be/14%20%e7%b1%bb%e5%9e%8b%e7%b3%bb%e7%bb%9f%ef%bc%9a%e6%9c%89%e5%93%aa%e4%ba%9b%e5%bf%85%e9%a1%bb%e6%8e%8c%e6%8f%a1%e7%9a%84trait%ef%bc%9f.md