【译】Rust标准库Trait指南（三）

Praying
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原文标题：Tour of Rust's Standard Library Traits
原文链接：github.com/pretzelhamm…
公众号： Rust 碎碎念
翻译 by： Praying

内容目录 （译注：✅ 表示本文已翻译 ⏰ 表示后续翻译）

  • 引言 ✅
  • Trait 基础 ✅
  • 自动 Trait✅
  • 泛型 Trait⏰=>✅
  • 格式化 Trait⏰
  • 操作符 Trait⏰
  • 转换 Trait⏰
  • 错误处理 ⏰
  • 迭代器 Trait⏰
  • I/O Trait⏰
  • 总结 ⏰

泛型 traits

Default

所需预备知识

  • Self
  • 函数（Functions）
  • 派生宏（Derive Macros）
trait Default {
    fn default() -> Self;
}

可以为实现了Default的类型构造默认值。

struct Color {
    r: u8,
    g: u8,
    b: u8,
}

impl Default for Color {
    // default color is black
    fn default() -> Self {
        Color {
            r: 0,
            g: 0,
            b: 0,
        }
    }
}

这在快速构建原型的时候十分有用，尤其是在我们没有过多要求而只需要一个类型实例的情况下：

fn main() {
    // just give me some color!
    let color = Color::default();
}

当我们想要显式地把函数暴露给用户时，也可以选择这样做：

struct Canvas;
enum Shape {
    Circle,
    Rectangle,
}

impl Canvas {
    // let user optionally pass a color
    fn paint(&mut self, shape: Shape, color: Option<Color>) {
        // if no color is passed use the default color
        let color = color.unwrap_or_default();
        // etc
    }
}

当我们需要构造泛型类型时，Default在泛型上下文中也是有用的：

fn guarantee_length<T: Default>(mut vec: Vec<T>, min_len: usize) -> Vec<T> {
    for _ in 0..min_len.saturating_sub(vec.len()) {
        vec.push(T::default());
    }
    vec
}

我们还可以利用Default类型结合 Rust 的结构体更新语法（struct update syntax）来对结构体部分初始化。现在，我们有一个Color结构体构造函数new，该函数接收结构体的所有成员作为参数：

impl Color {
    fn new(r: u8, g: u8, b: u8) -> Self {
        Color {
            r,
            g,
            b,
        }
    }
}

但是，我们可以有更为便利的构造函数，这些构造函数分别只接收结构体的一部分成员，结构体剩下的其他成员使用默认值：

impl Color {
    fn red(r: u8) -> Self {
        Color {
            r,
            ..Color::default()
        }
    }
    fn green(g: u8) -> Self {
        Color {
            g,
            ..Color::default()
        }
    }
    fn blue(b: u8) -> Self {
        Color {
            b,
            ..Color::default()
        }
    }
}

还有一个Default派生宏，通过使用它我们可以像下面这样来写Color：

// default color is still black
// because u8::default() == 0
#[derive(Default)]
struct Color {
    r: u8,
    g: u8,
    b: u8
}

Clone

所需预备知识

  • Self
  • 方法（Methods）
  • 默认实现（Default Impls）
  • 派生宏（Derive Macros）
trait Clone {
    fn clone(&self) -> Self;

    // provided default impls
    fn clone_from(&mut self, source: &Self);
}

我们能够把Clone类型的不可变引用转换为所拥有的值，即&T->T。Clone不保证这种转换的效率，所以它会很慢并且成本较高。我们可以使用派生宏在一个类型上快速实现Clone：

#[derive(Clone)]
struct SomeType {
    cloneable_member1: CloneableType1,
    cloneable_member2: CloneableType2,
    // etc
}

// macro generates impl below
impl Clone for SomeType {
    fn clone(&self) -> Self {
        SomeType {
            cloneable_member1: self.cloneable_member1.clone(),
            cloneable_member2: self.cloneable_member2.clone(),
            // etc
        }
    }
}

Clone可以用于在泛型上下文中构造一个类型实例。下面是从前面章节拿过来的一个例子，其中的Default被替换为了Clone：

fn guarantee_length<T: Clone>(mut vec: Vec<T>, min_len: usize, fill_with: &T) -> Vec<T> {
    for _ in 0..min_len.saturating_sub(vec.len()) {
        vec.push(fill_with.clone());
    }
    vec
}

人们通常把克隆（clone）作为一种避免和借用检查器打交道的逃生出口（escape hatch）。管理带有引用的结构体很具有挑战性，但是我们可以通过克隆把引用变为所拥有的值。

// oof, we gotta worry about lifetimes 😟
struct SomeStruct<'a> {
    data: &'a Vec<u8>,
}

// now we're on easy street 😎
struct SomeStruct {
    data: Vec<u8>,
}

如果我们正在编写的程序对性能不敏感，那么我们就不需要担心克隆数据的问题。Rust 是一门暴露了很多底层细节的语言，所以开发者很容易陷入过早的优化而非真正解决眼前的问题。对于很多程序来讲，最好的优先级顺序通常是，首先构建正确性，其次是优雅性，第三是性能，仅当在对性能进行剖析并确定性能瓶颈之后再去关注性能。通常而言，这是一个值得采纳的好建议，但是你需要清楚，它未必适用于你的程序。

Copy

所需预备知识

  • 标记 Trait（Marker Trait）
  • Subtraits & SuperTraits
  • 派生宏（Derive Macros）
trait Copy:Clone{}

我们拷贝Copy类型，例如：T->T.Copy承诺拷贝操作是简单的按位拷贝，所以它是快速高效的。我们不能自己实现Copy，只有编译器可以提供实现，但是我们可以通过使用Copy派生宏让编译器这么做，就像使用Clone派生宏一样，因为Copy是Clone的一个 subtrait:

#[derive(Copy, Clone)]
struct SomeType;

Copy对Clone进行了细化。一个克隆（clone）操作可能很慢并且开销很大，但是拷贝（copy）操作保证是快速且开销较小的，所以拷贝是一种更快的克隆操作。如果一个类型实现了Copy，Clone实现就无关紧要了：

// this is what the derive macro generates
impl<T: Copy> Clone for T {
    // the clone method becomes just a copy
    fn clone(&self) -> Self {
        *self
    }
}

当一个类型实现了Copy之后，它在被移动（move）时的行为就发生了改变。默认情况下，所有的类型都有移动（move）语义 ，但是一旦某个类型实现了Copy，它就有了拷贝（copy）语义 。为了解释二者的不同，让我们看一下这些简单的场景：

// a "move", src: !Copy
let dest = src;

// a "copy", src: Copy
let dest = src;

在上面两种情况下，dest = src对src的内容进行按位拷贝并把结果移动到dest，唯一的不同是，在第一种情况（"a move"）中，借用检查器使得src变量失效并确保它后面不会在任何其他地方被使用;在第二种情况下（"a copy"）中，src仍然是有效且可用的。

简而言之：拷贝就是移动，移动就是拷贝。它们之间唯一的区别就是其对待借用检查器的方式。

来看一个关于移动（move）的更具体的例子，假定sec是一个Vec<i32>类型，并且它的内容看起来像下面这样：

{ data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }

当我们执行了dest = src，我们会得到：

src = { data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }
dest = { data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }

在这个未知，src和dest对同一份数据各有一个可变引用别名，这是一个大忌，因此，借用检查器让src变量失效，在编译器不报错的情况下。使得它不能再被使用。

再来看一个关于拷贝（copy）的更具体的例子，假定src是一个Option<i32>，且它的内容看起来如下：

{ is_valid: bool, data: i32 }

现在，当我们执行dest = src时，我们会得到：

src = { is_valid: bool, data: i32 }
dest = { is_valid: bool, data: i32 }

它们俩同时都是可用的！因此，Option<i32>是Copy。

尽管Copy是一个自动 trait，但是 Rust 语言设计者决定，让类型显式地选择拷贝语义，而不是在类型符合条件时默默地继承拷贝语义，因为后者可能会引起经常导致 bug 的混乱行为。

Any

所需预备知识

  • Self
  • Generic Blanket Impls
  • Subtraits & Supertraits
  • Trait Objects
trait Any: 'static {
    fn type_id(&self) -> TypeId;
}

Rust 的多态风格是参数化的，但是如果我们正在尝试使用一种类似于动态类型语言的更为特别（ad-hoc）的多态风格，那么我们可以通过使用Any trait 来进行模拟。我们不必手动为我们的类型实现Any trait，因为这已经被 generic blanket impl 所涵盖：

impl<T: 'static + ?Sized> Any for T {
    fn type_id(&self) -> TypeId {
        TypeId::of::<T>()
    }
}

我们通过使用downcast_ref::<T>()和downcast_mut::<T>()方法从一个dyn Any中拿出一个T:

use std::any::Any;

#[derive(Default)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

impl Point {
    fn inc(&mut self) {
        self.x += 1;
        self.y += 1;
    }
}

fn map_any(mut any: Box<dyn Any>) -> Box<dyn Any> {
    if let Some(num) = any.downcast_mut::<i32>() {
        *num += 1;
    } else if let Some(string) = any.downcast_mut::<String>() {
        *string += "!";
    } else if let Some(point) = any.downcast_mut::<Point>() {
        point.inc();
    }
    any
}

fn main() {
    let mut vec: Vec<Box<dyn Any>> = vec![
        Box::new(0),
        Box::new(String::from("a")),
        Box::new(Point::default()),
    ];
    // vec = [0, "a", Point { x: 0, y: 0 }]
    vec = vec.into_iter().map(map_any).collect();
    // vec = [1, "a!", Point { x: 1, y: 1 }]
}

这个 trait 很少需要用到，因为在大多数情况下，参数化多态要优于临时多态性，后者也可以用枚举（enum）来模拟，枚举具有更好的类型安全，需要的间接（抽象）也更少。例如，我们可以用下面的方式实现上面的例子：

#[derive(Default)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

impl Point {
    fn inc(&mut self) {
        self.x += 1;
        self.y += 1;
    }
}

enum Stuff {
    Integer(i32),
    String(String),
    Point(Point),
}

fn map_stuff(mut stuff: Stuff) -> Stuff {
    match &mut stuff {
        Stuff::Integer(num) => *num += 1,
        Stuff::String(string) => *string += "!",
        Stuff::Point(point) => point.inc(),
    }
    stuff
}

fn main() {
    let mut vec = vec![
        Stuff::Integer(0),
        Stuff::String(String::from("a")),
        Stuff::Point(Point::default()),
    ];
    // vec = [0, "a", Point { x: 0, y: 0 }]
    vec = vec.into_iter().map(map_stuff).collect();
    // vec = [1, "a!", Point { x: 1, y: 1 }]
}

尽管Any很少被需要用到，但是在某些时候它也会十分地便利，正如我们在后面错误处理（Error Handling）部分所看到的那样。

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