Rust 程序设计语言 简体中文版

ch10-02-traits.md
commit 709eb1eaca48864fafd9263042f5f9d9d6ffe08d

trait 允许我们进行另一种抽象：他们让我们可以抽象类型所通用的行为。trait 告诉 Rust 编译器某个特定类型拥有可能与其他类型共享的功能。在使用泛型类型参数的场景中，可以使用 trait bounds 在编译时指定泛型可以是任何实现了某个 trait 的类型，并由此在这个场景下拥有我们希望的功能。

注意：trait 类似于其他语言中的常被称为接口（interfaces）的功能，虽然有一些不同。

一个类型的行为由其可供调用的方法构成。如果可以对不同类型调用相同的方法的话，这些类型就可以共享相同的行为了。trait 定义是一种将方法签名组合起来的方法，目的是定义一个实现某些目的所必须行为的集合。

例如，这里有多个存放了不同类型和属性文本的结构体：结构体NewsArticle用于存放发生于世界各地的新闻故事，而结构体Tweet最多只能存放 140 个字符的内容，以及像是否转推或是否是对推友的回复这样的元数据。

我们想要创建一个多媒体聚合库用来显示可能储存在NewsArticle或Tweet实例中的数据的总结。每一个结构体都需要的行为是他们是能够被总结的，这样的话就可以调用实例的summary方法来请求总结。列表 10-11 中展示了一个表现这个概念的Summarizable trait 的定义：

pub trait Summarizable {
    fn summary(&self) -> String;
}

使用trait关键字来定义一个 trait，后面是 trait 的名字，在这个例子中是Summarizable。在大括号中声明描述实现这个 trait 的类型所需要的行为的方法签名，在这个例子中是是fn summary(&self) -> String。在方法签名后跟分号而不是在大括号中提供其实现。接着每一个实现这个 trait 的类型都需要提供其自定义行为的方法体，编译器也会确保任何实现Summarizable trait 的类型都拥有与这个签名的定义完全一致的summary方法。

trait 体中可以有多个方法，一行一个方法签名且都以分号结尾。

现在我们定义了Summarizable trait，接着就可以在多媒体聚合库中需要拥有这个行为的类型上实现它了。列表 10-12 中展示了NewsArticle结构体上Summarizable trait 的一个实现，它使用标题、作者和创建的位置作为summary的返回值。对于Tweet结构体，我们选择将summary定义为用户名后跟推文的全部文本作为返回值，并假设推文内容已经被限制为 140 字符以内。

# pub trait Summarizable {
#     fn summary(&self) -> String;
# }
#
pub struct NewsArticle {
    pub headline: String,
    pub location: String,
    pub author: String,
    pub content: String,
}

impl Summarizable for NewsArticle {
    fn summary(&self) -> String {
        format!("{}, by {} ({})", self.headline, self.author, self.location)
    }
}

pub struct Tweet {
    pub username: String,
    pub content: String,
    pub reply: bool,
    pub retweet: bool,
}

impl Summarizable for Tweet {
    fn summary(&self) -> String {
        format!("{}: {}", self.username, self.content)
    }
}

在类型上实现 trait 类似与实现与 trait 无关的方法。区别在于impl关键字之后，我们提供需要实现 trait 的名称，接着是for和需要实现 trait 的类型的名称。在impl块中，使用 trait 定义中的方法签名，不过不再后跟分号，而是需要在大括号中编写函数体来为特定类型实现 trait 方法所拥有的行为。

一旦实现了 trait，我们就可以用与NewsArticle和Tweet实例的非 trait 方法一样的方式调用 trait 方法了：

let tweet = Tweet {
    username: String::from("horse_ebooks"),
    content: String::from("of course, as you probably already know, people"),
    reply: false,
    retweet: false,
};

println!("1 new tweet: {}", tweet.summary());

这会打印出1 new tweet: horse_ebooks: of course, as you probably already know, people。

注意因为列表 10-12 中我们在相同的lib.rs力定义了Summarizable trait 和NewsArticle与Tweet类型，所以他们是位于同一作用域的。如果这个lib.rs是对应aggregator crate 的，而别人想要利用我们 crate 的功能外加为其WeatherForecast结构体实现Summarizable trait，在实现Summarizable trait 之前他们首先就需要将其导入其作用域中，如列表 10-13 所示：

extern crate aggregator;

use aggregator::Summarizable;

struct WeatherForecast {
    high_temp: f64,
    low_temp: f64,
    chance_of_precipitation: f64,
}

impl Summarizable for WeatherForecast {
    fn summary(&self) -> String {
        format!("The high will be {}, and the low will be {}. The chance of
        precipitation is {}%.", self.high_temp, self.low_temp,
        self.chance_of_precipitation)
    }
}

另外这段代码假设Summarizable是一个公有 trait，这是因为列表 10-11 中trait之前使用了pub关键字。

trait 实现的一个需要注意的限制是：只能在 trait 或对应类型位于我们 crate 本地的时候为其实现 trait。换句话说，不允许对外部类型实现外部 trait。例如，不能Vec上实现Display trait，因为Display和Vec都定义于标准库中。允许在像Tweet这样作为我们aggregatorcrate 部分功能的自定义类型上实现标准库中的 trait Display。也允许在aggregatorcrate中为Vec实现Summarizable，因为Summarizable定义与此。这个限制是我们称为 orphan rule 的一部分，如果你感兴趣的可以在类型理论中找到它。简单来说，它被称为 orphan rule 是因为其父类型不存在。没有这条规则的话，两个 crate 可以分别对相同类型是实现相同的 trait，因而这两个实现会相互冲突：Rust 将无从得知应该使用哪一个。因为 Rust 强制执行 orphan rule，其他人编写的代码不会破坏你代码，反之亦是如此。

有时为 trait 中的某些或全部提供默认的行为，而不是在每个类型的每个实现中都定义自己的行为是很有用的。这样当为某个特定类型实现 trait 时，可以选择保留或重载每个方法的默认行为。

列表 10-14 中展示了如何为Summarize trait 的summary方法指定一个默认的字符串值，而不是像列表 10-11 中那样只是定义方法签名：

pub trait Summarizable {
    fn summary(&self) -> String {
        String::from("(Read more...)")
    }
}

如果想要对NewsArticle实例使用这个默认实现，而不是像列表 10-12 中那样定义一个自己的实现，则可以指定一个空的impl块：

impl Summarizable for NewsArticle {}

即便选择不再直接为NewsArticle定义summary方法了，因为summary方法有一个默认实现而且NewsArticle被指定为实现了Summarizable trait，我们仍然可以对NewsArticle的实例调用summary方法：

let article = NewsArticle {
    headline: String::from("Penguins win the Stanley Cup Championship!"),
    location: String::from("Pittsburgh, PA, USA"),
    author: String::from("Iceburgh"),
    content: String::from("The Pittsburgh Penguins once again are the best
    hockey team in the NHL."),
};

println!("New article available! {}", article.summary());

这段代码会打印New article available! (Read more...)。

将Summarizable trait 改变为拥有默认summary实现并不要求对列表 10-12 中的Tweet和列表 10-13 中的WeatherForecast对Summarizable的实现做任何改变：重载一个默认实现的语法与实现没有默认实现的 trait 方法时完全一样的。

默认实现允许调用相同 trait 中的其他方法，哪怕这些方法没有默认实现。通过这种方法，trait 可以实现很多有用的功能而只需实现一小部分特定内容。我们可以选择让Summarizable trait 也拥有一个要求实现的author_summary方法，接着summary方法则提供默认实现并调用author_summary方法：

pub trait Summarizable {
    fn author_summary(&self) -> String;

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

为了使用这个版本的Summarizable，只需在实现 trait 时定义author_summary即可：

impl Summarizable for Tweet {
    fn author_summary(&self) -> String {
        format!("@{}", self.username)
    }
}

一旦定义了author_summary，我们就可以对Tweet结构体的实例调用summary了，而summary的默认实现会调用我们提供的author_summary定义。

let tweet = Tweet {
    username: String::from("horse_ebooks"),
    content: String::from("of course, as you probably already know, people"),
    reply: false,
    retweet: false,
};

println!("1 new tweet: {}", tweet.summary());

这会打印出1 new tweet: (Read more from @horse_ebooks...)。

注意在重载过的实现中调用默认实现是不可能的。

现在我们定义了 trait 并在类型上实现了这些 trait，也可以对泛型类型参数使用 trait。我们可以限制泛型不再适用于任何类型，编译器会确保其被限制为那么实现了特定 trait 的类型，由此泛型就会拥有我们希望其类型所拥有的功能。这被称为指定泛型的 trait bounds。

例如在列表 10-12 中为NewsArticle和Tweet类型实现了Summarizable trait。我们可以定义一个函数notify来调用summary方法，它拥有一个泛型类型T的参数item。为了能够在item上调用summary而不出现错误，我们可以在T上使用 trait bounds 来指定item必须是实现了Summarizable trait 的类型：

pub fn notify<T: Summarizable>(item: T) {
    println!("Breaking news! {}", item.summary());
}

trait bounds 连同泛型类型参数声明一同出现，位于尖括号中的冒号后面。由于T上的 trait bounds，我们可以传递任何NewsArticle或Tweet的实例来调用notify函数。列表 10-13 中使用我们aggregator crate 的外部代码也可以传递一个WeatherForecast的实例来调用notify函数，因为WeatherForecast同样也实现了Summarizable。使用任何其他类型，比如String或i32，来调用notify的代码将不能编译，因为这些类型没有实现Summarizable。

可以通过+来为泛型指定多个 trait bounds。如果我们需要能够在函数中使用T类型的显示格式的同时也能使用summary方法，则可以使用 trait bounds T: Summarizable + Display。这意味着T可以是任何是实现了Summarizable和Display的类型。

对于拥有多个泛型类型参数的函数，每一个泛型都可以有其自己的 trait bounds。在函数名和参数列表之间的尖括号中指定很多的 trait bound 信息将是难以阅读的，所以有另外一个指定 trait bounds 的语法，它将其移动到函数签名后的where从句中。所以相比这样写：

fn some_function<T: Display + Clone, U: Clone + Debug>(t: T, u: U) -> i32 {

我们也可以使用where从句：

fn some_function<T, U>(t: T, u: U) -> i32
    where T: Display + Clone,
          U: Clone + Debug
{

这就显得不那么杂乱，同时也使这个函数看起来更像没有很多 trait bounds 的函数。这时函数名、参数列表和返回值类型都离得很近。

所以任何想要对泛型使用 trait 定义的行为的时候，都需要在泛型参数类型上指定 trait bounds。现在我们就可以修复列表 10-5 中那个使用泛型类型参数的largest函数定义了！当我们将其放置不管的时候，它会出现这个错误：

error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T`
  |
5 |         if item > largest {
  |            ^^^^
  |
note: an implementation of `std::cmp::PartialOrd` might be missing for `T`

在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。这个运算符被定义为标准库中 trait std::cmp::PartialOrd 的一个默认方法。所以为了能够使用大于运算符，需要在T的 trait bounds 中指定PartialOrd，这样largest函数可以用于任何可以比较大小的类型的 slice。因为PartialOrd位于 prelude 中所以并不需要手动将其引入作用域。

fn largest<T: PartialOrd>(list: &[T]) -> T {

但是如果编译代码的话，会出现不同的错误：

error[E0508]: cannot move out of type `[T]`, a non-copy array
 --> src/main.rs:4:23
  |
4 |     let mut largest = list[0];
  |         -----------   ^^^^^^^ cannot move out of here
  |         |
  |         hint: to prevent move, use `ref largest` or `ref mut largest`

error[E0507]: cannot move out of borrowed content
 --> src/main.rs:6:9
  |
6 |     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 array，对于非泛型版本的largest函数，我们只尝试了寻找最大的i32和char。正如第四章讨论过的，像i32和char这样的类型是已知大小的并可以储存在栈上，所以他们实现了Copy trait。当我们将largest函数改成使用泛型后，现在list参数的类型就有可能是没有实现Copy trait 的，这意味着我们可能不能将list[0]的值移动到largest变量中。

如果只想对实现了Copy的类型调用这些带啊吗，可以在T的 trait bounds 中增加Copy！列表 10-15 中展示了一个可以编译的泛型版本的largest函数的完整代码，只要传递给largest的 slice 值的类型实现了PartialOrd和Copy这两个 trait，例如i32和char：

use std::cmp::PartialOrd;

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 numbers = vec![34, 50, 25, 100, 65];

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

    let chars = vec!['y', 'm', 'a', 'q'];

    let result = largest(&chars);
    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 trait 的类型，我们可以在T的 trait bounds 中指定Clone而不是Copy，并克隆 slice 的每一个值使得largest函数拥有其所有权。但是使用clone函数潜在意味着更多的堆分配，而且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 slice 中一个T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Clone或Copy的 trait bounds 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！

trait 和 trait bounds 让我们使用泛型类型参数来减少重复，并仍然能够向编译器明确指定泛型类型需要拥有哪些行为。因为我们向编译器提供了 trait bounds 信息，它就可以检查代码中所用到的具体类型是否提供了正确的行为。在动态类型语言中，如果我们尝试调用一个类型并没有实现的方法，会在运行时出现错误。Rust 将这些错误移动到了编译时，甚至在代码能够运行之前就强迫我们修复错误。另外，我们也无需编写运行时检查行为的代码，因为在编译时就已经检查过了，这样相比其他那些不愿放弃泛型灵活性的语言有更好的性能。

这里还有一种泛型，我们一直在使用它甚至都没有察觉它的存在，这就是生命周期（lifetimes）。不同于其他泛型帮助我们确保类型拥有期望的行为，生命周期则有助于确保引用在我们需要他们的时候一直有效。让我们学习生命周期是如何做到这些的。