18.Rust 语言实战笔记 —— 泛型 Generics

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我们在编程中，经常有这样的需求：用同一功能的函数处理不同类型的数据，例如两个数的加法，无论是整数还是浮点数，甚至是自定义类型，都能进行支持。在不支持泛型的编程语言中，通常需要为每一种类型编写一个函数：

fn add_i8(a:i8, b:i8) -> i8 {
    a + b
}
fn add_i32(a:i32, b:i32) -> i32 {
    a + b
}
fn add_f64(a:f64, b:f64) -> f64 {
    a + b
}

fn main() {
    println!("add i8: {}", add_i8(2i8, 3i8));
    println!("add i32: {}", add_i32(20, 30));
    println!("add f64: {}", add_f64(1.23, 1.23));
}
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上述代码可以正常运行，但是很啰嗦，如果你要支持更多的类型，那么会更繁琐。程序员或多或少都有强迫症，一个好程序员的公认特征就是 —— 懒，这么勤快的写一大堆代码，显然不是咱们的优良传统.

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：

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

fn main() {
    println!("add i8: {}", add(2i8, 3i8));
    println!("add i32: {}", add(20, 30));
    println!("add f64: {}", add(1.23, 1.23));
}
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将之前的代码改成上面这样，就是使用了 Rust 泛型，这样是不是显得这段代码很简洁。

泛型详解

上面代码的 T 就是泛型参数，实际上在 Rust 中，泛型参数的名称你可以任意起，但是出于惯例，我们都用 T ( T 是 type 的首字母)来作为首选，这个名称越短越好，除非需要表达含义，否则一个字母是最完美的。

使用泛型参数，有一个先决条件，必需在使用前对其进行声明：

fn add<T: std::ops::Add<Output = T>>(a:T, b:T) -> T
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结构体中使用泛型

结构体中的字段类型也可以用泛型来定义，下面代码定义了一个坐标点 Point，它可以存放任何类型的坐标值：

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 };
}
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这里有两点需要特别的注意：

• 提前声明，跟泛型函数定义类似，首先我们在使用泛型参数之前必需要进行声明 Point<T>，接着就可以在结构体的字段类型中使用 T 来替代具体的类型
• x 和 y 是相同的类型

第二点非常重要，如果使用不同的类型，那么它会导致下面代码的报错：

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

fn main() {
    let p = Point{x: 1, y :1.1};
}
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错误如下：

error[E0308]: mismatched types //类型不匹配
 --> src/main.rs:7:28
  |
7 |     let p = Point{x: 1, y :1.1};
  |                            ^^^ expected integer, found floating-point number //期望y是整数，但是却是浮点数
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当把 1 赋值给 x 时，变量 p 的 T 类型就被确定为整数类型，因此 y 也必须是整数类型，但是我们却给它赋予了浮点数，因此导致报错。

如果想让 x 和 y 即能类型相同，又能类型不同，需要使用不同的泛型参数：

struct Point<T,U> {
    x: T,
    y: U,
}
fn main() {
    let p = Point{x: 1, y :1.1};
}
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切记，所有的泛型参数都要提前声明：Point<T,U> ! 但是如果你的结构体变成这鬼样：struct Woo<T,U,V,W,X>，那么你需要考虑拆分这个结构体，减少泛型参数的个数和代码复杂度。

枚举中使用泛型

提到枚举类型，Option 永远是第一个应该被想起来的，在之前的章节中，它也多次出现：

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}
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Option<T> 是一个拥有泛型 T 的枚举类型，它第一个成员是 Some(T)，存放了一个类型为 T 的值。得益于泛型的引入，我们可以在任何一个需要返回值的函数中，去使用 Option<T> 枚举类型来做为返回值，用于返回一个任意类型的值 Some(T)，或者没有值 None。

对于枚举而言，卧龙凤雏永远是绕不过去的存在：如果是 Option 是卧龙，那么 Result 就一定是凤雏，得两者可得天下：

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

上一章中，我们讲到什么是方法以及如何在结构体和枚举上定义方法。方法上也可以使用泛型：

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());
}
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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);
}
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这个例子中，T,U 是定义在结构体 Point 上的泛型参数，V,W 是单独定义在方法 mixup 上的泛型参数，它们并不冲突，说白了，你可以理解为，一个是结构体泛型，一个是函数泛型。

为具体的泛型类型实现方法

对于 Point<T> 类型，你不仅能定义基于 T 的方法，还能针对特定的具体类型，进行方法定义：

impl Point<f32> {
    fn distance_from_origin(&self) -> f32 {
        (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
    }
}
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这段代码意味着 Point<f32> 类型会有一个方法 distance_from_origin，而其他 T 不是 f32 类型的 Point<T> 实例则没有定义此方法。这个方法计算点实例与坐标(0.0, 0.0) 之间的距离，并使用了只能用于浮点型的数学运算符。

这样我们就能针对特定的泛型类型实现某个特定的方法，对于其它泛型类型则没有定义该方法。

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。

但是任何选择都是权衡得失的，既然我们获得了性能上的巨大优势，那么又失去了什么呢？Rust 是在编译期为泛型对应的多个类型，生成各自的代码，因此损失了编译速度和增大了最终生成文件的大小。

具体来说：

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。

编译器所做的工作正好与我们创建泛型函数的步骤相反，编译器寻找所有泛型代码被调用的位置并针对具体类型生成代码。

让我们看看一个使用标准库中 Option 枚举的例子：

let integer = Some(5);
let float = Some(5.0);
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当 Rust 编译这些代码的时候，它会进行单态化。编译器会读取传递给 Option<T> 的值并发现有两种 Option<T>：一种对应 i32 另一种对应 f64。为此，它会将泛型定义 Option<T> 展开为 Option_i32和 Option_f64，接着将泛型定义替换为这两个具体的定义。

编译器生成的单态化版本的代码看起来像这样：

enum Option_i32 {
    Some(i32),
    None,
}

enum Option_f64 {
    Some(f64),
    None,
}

fn main() {
    let integer = Option_i32::Some(5);
    let float = Option_f64::Some(5.0);
}
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我们可以使用泛型来编写不重复的代码，而 Rust 将会为每一个实例编译其特定类型的代码。这意味着在使用泛型时没有运行时开销；当代码运行，它的执行效率就跟好像手写每个具体定义的重复代码一样。这个单态化过程正是 Rust 泛型在运行时极其高效的原因。