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关于一个语言被称为面向对象所需的功能在编程社区内并未达成一致意见。Rust 被很多不同的编程范式影响,包括面向对象编程;比如第十三章提到了来自函数式编程的特性。面向对象编程语言所共享的一些特性往往是对象、封装和继承。让我们看一下这每一个概念的含义以及 Rust 是否支持它们。
关于一门语言必须具备哪些特征才能被视为面向对象目前在编程社区中并没有共识。Rust 受到了许多编程范式的影响包括面向对象编程OOP例如在第 13 章中,我们探讨了来自函数式编程的特性。可以说,面向对象的语言共有一些共同的特征,即对象、封装和继承。我们将会讨论这些特征分别是什么,以及 Rust 是否支持它们。
### 对象包含数据和行为
由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John VlissidesAddison-Wesley Professional, 1994编写的书 *Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software* 被俗称为 *The Gang of Four* (字面意思为 “四人帮”),它是面向对象编程模式的目录。它这样定义面向对象编程:
由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John VlissidesAddison-Wesley Professional, 1994编写的书 *Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software* ,通称 *The Gang of Four* (“四人帮”),是一本面向对象设计模式的目录。它这样定义面向对象编程:
> Object-oriented programs are made up of objects. An *object* packages both
> data and the procedures that operate on that data. The procedures are
> typically called *methods* or *operations*.
>
> 面向对象的程序由对象组成。一个 **对象** 包含数据和操作这些数据的过程。这些过程通常被称为 **方法****操作**
> 面向对象的程序由对象组成。一个 **对象** 包含数据和操作这些数据的过程。这些过程通常被称为 **方法****操作**
在这个定义下Rust 是面向对象的:结构体和枚举包含数据而 `impl` 块提供了在结构体和枚举之上的方法。虽然带有方法的结构体和枚举并不被 **称为** 对象,但是它们提供了与对象相同的功能,参考 *The Gang of Four* 中对象的定义。
### 封装隐藏了实现细节
另一个通常与面向对象编程相关的方面是 **封装***encapsulation*)的思想:对象的实现细节不能被使用对象的代码获取到。所以唯一与对象交互的方式是通过对象提供的公有 API使用对象的代码无法深入到对象内部并直接改变数据或者行为。封装使得改变和重构对象的内部时无需改变使用对象的代码。
另一个通常与面向对象编程关联的概念是 **封装***encapsulation*):一个对象的实现细节对使用该对象的代码不可访问。因此,对象交互的唯一方式是通过其公共 API使用对象的代码不应能直接触及对象的内部并改变数据或行为。这使得程序员能够更改和重构一个对象的内部实现而无需改变使用该对象的代码。
就像我们在第七章讨论的那样:可以使用 `pub` 关键字来决定模块、类型、函数和方法是公有的,而默认情况下其他一切都是私有的。比如,我们可以定义一个包含一个 `i32` 类型 vector 的结构体 `AveragedCollection `。结构体也可以有一个字段,该字段保存了 vector 中所有值的平均值。这样,希望知道结构体中的 vector 的平均值的人可以随时获取它,而无需自己计算。换句话说,`AveragedCollection` 会为我们缓存平均值结果。示例 17-1 有 `AveragedCollection` 结构体的定义:
我们在第 7 章讨论了如何控制封装:我们可以使用 `pub` 关键字来决定代码中的哪些模块、类型、函数和方法是公有的,而默认情况下其他所有内容都是私有的。例如,我们可以定义一个 `AveragedCollection` 结构体,其中有一个存有 `Vec<i32>` 的字段。该结构体还可以有一个字段存储其平均值,以便需要时取用。示例 17-1 给出了 `AveragedCollection` 结构体的定义:
<span class="filename">文件名src/lib.rs</span>
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{{#rustdoc_include ../listings/ch17-oop/listing-17-01/src/lib.rs}}
```
<span class="caption">示例 17-1: `AveragedCollection` 结构体维护了一个整型列表和集合中所有元素的平均值。</span>
<span class="caption">示例 17-1: `AveragedCollection` 结构体维护了一个整型列表及其所有元素的平均值。</span>
注意,结构体自身被标记为 `pub`,这样其他代码就可以使用这个结构体,但是在结构体内部的字段仍然是私有的。这是非常重要的,因为我们希望保证变量被增加到列表或者被从列表删除时,也会同时更新平均值。可以通过在结构体上实现 `add`、`remove` 和 `average` 方法来做到这一点,如示例 17-2 所示:
该结构体被标记为 `pub`,这样其他代码就可以使用它,但结构体内的字段保持私有。这在这种情况下很重要,因为我们想确保每当列表中添加或删除值时,平均值也会更新。我们通过实现结构体上的 `add`、`remove` 和 `average` 方法来做到这一点,如示例 17-2 所示:
<span class="filename">文件名src/lib.rs</span>
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`list``average` 是私有的,所以没有其他方式来使得外部的代码直接向 `list` 增加或者删除元素,否则 `list` 改变时可能会导致 `average` 字段不同步。`average` 方法返回 `average` 字段的值,这使得外部的代码只能读取 `average` 而不能修改它。
因为我们已经封装`AveragedCollection` 的实现细节,将来可以轻松改变类似数据结构这些方面的内容。例如,可以使用 `HashSet<i32>` 代替 `Vec<i32>` 作为 `list` 字段的类型。只要 `add`、`remove` 和 `average` 公有函数的签名保持不变,使用 `AveragedCollection` 的代码就无需改变。相反如果使得 `list` 为公有,就未必都会如此了 `HashSet<i32>``Vec<i32>` 使用不同的方法增加或移除项,所以如果要想直接修改 `list` 的话,外部的代码可能不得不做出修改。
因为我们已经封装了 `AveragedCollection` 的实现细节,改动数据结构等内部实现非常简单。例如,可以使用 `HashSet<i32>` 代替 `Vec<i32>` 作为 `list` 字段的类型。只要 `add`、`remove` 和 `average` 这些公有方法的签名保持不变,使用 `AveragedCollection` 的代码就无需改变。如果我们将 `list` 设为公有,情况就未必如此 `HashSet<i32>``Vec<i32>` 使用不同的方法增加或移除项,所以如果外部代码直接修改 `list` ,很可能需要进行更改。
如果封装是一个语言被认为是面向对象语言所必要的方面的话,那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分使用 `pub` 与否可以封装其实现细节。
如果封装被认为是面向对象语言所必要的特征,那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分控制 `pub` 的使用来封装实现细节。
## 继承,作为类型系统与代码共享
**继承***Inheritance*)是一个很多编程语言都提供的机制,一个对象可以定义为继承另一个对象定义中的元素,这使其可以获得父对象的数据和行为,而无需重新定义。
**继承***Inheritance*)是一种机制:一个对象可以从另一个对象的定义中继承元素,从而获得父对象的数据和行为,无需再次定义。
如果一个语言必须有继承才能被称为面向对象语言的话,那么 Rust 就不是面向对象的。因为没有宏则无法定义一个结构体继承父结构体的成员和方法
如果一种语言必须具有继承才能被认为是面向对象语言,那么 Rust 不是其中之一。Rust 不支持定义一个结构体时继承父结构体的字段和方法,除非使用宏
然而,如果你过去常常在你的编程工具箱使用继承根据你最初考虑继承的原因Rust 也提供了其他的解决方案。
然而,如果您习惯于在编程过程中使用继承那么根据运用继承的原因Rust 提供了其他解决方案。
选择继承有两个主要的原因。第一个是为了重用代码一旦为一个类型实现了特定行为继承可以对一个不同的类型重用这个实现。Rust 代码中可以使用默认 trait 方法实现来进行有限的共享,在示例 10-14 中我们见过`Summary` trait 上增加的 `summarize` 方法的默认实现。任何实现了 `Summary` trait 的类型都可以使用 `summarize` 方法而无须进一步实现。这类似于父类有一个方法的实现,而通过继承子类也拥有这个方法的实现。当实现 `Summary` trait 时也可以选择覆盖 `summarize` 的默认实现,这类似于子类覆盖从父类继承方法实现。
选择继承有两个主要的原因。其一是代码复用:您可以为一种类型实现特定的行为,继承可将其复用到不同的类型上。在 Rust 代码中可以使用默认 trait 方法实现来进行有限的代码复用,就像示例 10-14 中`Summary` trait 上增加的 `summarize` 方法的默认实现。任何实现了 `Summary` trait 的类型都可以使用 `summarize` 方法而无须进一步实现。这类似于父类有一个方法的实现,继承子类也拥有这个方法的实现。当实现 `Summary` trait 时也可以选择覆盖 `summarize` 的默认实现,这类似于子类覆盖从父类继承方法实现。
第二个使用继承的原因与类型系统有关:表现为子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 **多态***polymorphism*,这意味着如果多种对象共享特定的属性,则可以相互替代使用
其二与类型系统有关:子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 **多态***polymorphism*:如果多个对象共享某些特征,可以在运行时将它们互相替代
> 多态Polymorphism
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> 很多人将多态描述为继承的同义词。不过它是一个有关可以用于多种类型的代码的更广泛的概念。对于继承来说,这些类型通常是子类。
> Rust 则通过泛型来对不同的可能类型进行抽象,并通过 trait bounds 对这些类型所必须提供的内容施加约束。这有时被称为 *bounded parametric polymorphism*
> 对很多人来说,多态性与继承同义。但它实际上是一个更广义的概念,指的是可以处理多种类型数据的代码。对继承而言,这些类型通常是子类。
> Rust 使用泛型来抽象不同可能的类型,并通过 trait bounds 来约束这些类型所必须提供的内容。这有时被称为 *bounded parametric polymorphism*
近来继承作为一种语言设计的解决方案在很多语言中失宠了,因为其时常带有共享多于所需的代码的风险。子类不应总是共享其父类的所有特征,但是继承却始终如此。如此会使程序设计更为不灵活,并引入无意义的子类方法调用,或由于方法实际并不适用于子类而造成错误的可能性。
作为一种语言设计的解决方案,继承在许多新的编程语言中逐渐不被青睐,因为它经常有分享过多代码的风险。子类不应总是共享父类的所有特征,但是继承始终如此。它还引入了在子类上调用方法的可能性,这些方法可能没有意义,或因为方法不适用于子类而导致错误。此外,一些语言只允许单一继承(意味着子类只能从一个类继承),进一步限制了程序设计的灵活性。
另外某些语言还只允许单继承(意味着子类只能继承一个父类),进一步限制了程序设计的灵活性。
因为这些原因Rust 选择了一个不同的途径,使用 trait 对象而不是继承。让我们看一下 trait 对象如何使 Rust 得以实现多态的。
出于这些原因Rust 使用 trait 对象而非继承。接下来我们会讨论 Rust 如何使用 trait 对象实现多态性。