一文快速理解Rust语言扩展trait

2024-05-08 15:29:04 浏览数 (1)

科学无非就是在自然界的多样性中寻求统一性（或者更确切地说，是在我们经验的多样性中寻求统一性）。用 Coleridge 的话说，诗歌、绘画、艺术，同样是在多样性中寻求统一性

——Jacob Bronowski

Rust “实用工具” trait，这是标准库中各种 trait 的“百宝箱”，它们对 Rust 的编写方式有相当大的影响，所以，只有熟悉它们，你才能写出符合 Rust 语言惯例的代码并据此为你的 crate 设计公共接口，让用户认为这些接口是符合 Rust 风格的

语言扩展trait

运算符重载trait能让你在自己的类型上使用 Rust 的表达式运算符，同样，还有其他几个标准库 trait 也是 Rust 的扩展点，允许你把自己的类型更紧密地集成进语言中。这类trait包括 Drop、Deref 和 DerefMut，以及转换trait From 和 Into

语言扩展trait汇总表

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析构器。每当丢弃一个值时，Rust 都要自动运行的清理代码

Drop

Drop 是标准库内置的，也是一个特殊的 trait，它定义了一个叫做 drop 的方法。这个方法在值离开作用域时被自动调用。这个特性可以用来执行一些清理工作，比如释放资源

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struct MyType;

impl Drop for MyType {
    fn drop(&mut self) {
        println!("Dropping MyType");
    }
}

fn main() {
    let my_type = MyType;
    // my_type 离开作用域，drop方法被自动调用
}

在这个例子中，我们定义了一个 MyType 类型，并为它实现了 Drop trait。当 my_instance 离开作用域时，drop 方法会被自动调用，打印出 "Dropping MyType"

注意!

Rust的Drop trait是在值离开作用域时被自动调用的，而不是在值被销毁时。这意味着，如果一个值被移动到另一个作用域，它的drop方法不会被调用 当一个值的拥有者消失时，Rust 会丢弃（drop）该值。丢弃一个值就必须释放该值拥有的任何其他值、堆存储和系统资源。丢弃可能发生在多种情况下：当变量超出作用域时；在表达式语句的末尾；当截断一个向量时，会从其末尾移除元素；等等

Deref 与 DerefMut

通过实现 std::ops::Deref trait 和 std::ops::DerefMut trait ，可以指定像 * 和 . 这样的解引用运算符在你的类型上的行为

在Rust中，Deref 和 DerefMut 是两个 trait，它们允许我们重载解引用运算符 * 和 *mut

1. Deref trait：它定义了一个叫做 deref 的方法，这个方法返回一个引用。当我们对一个实现了Deref trait的类型使用 * 运算符时，deref 方法会被自动调用，返回一个引用，如下例子

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use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T);

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.0
    }
}

2. DerefMut trait：它定义了一个叫做 deref_mut 的方法，这个方法返回一个可变的引用。当我们对一个实现了 DerefMut trait 的类型使用 *mut 运算符时，deref_mut 方法会被自动调用，返回一个可变的引用

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use std::ops::DerefMut;

impl<T> DerefMut for MyBox<T> {
    fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target {
        &mut self.0
    }
}

From 与 Into

std::convert::From trait 和 std::convert::Into trait 表示类型转换，这种转换会接受一种类型的值并返回另一种类型的值。AsRef trait 和 AsMut trait 用于从一种类型借入另一种类型的引用，而 From 和 Into 会获取其参数的所有权，对其进行转换，然后将转换结果的所有权返回给调用者

From 和 Into 的定义是对称的：

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trait Into<T>: Sized {
    fn into(self) -> T;
}

trait From<T>: Sized {
    fn from(other: T) -> Self;
}

From 特质

From 特质用于定义一个类型如何从另一个类型转换而来。实现了 From 特质后，可以使用 from 函数来进行类型转换。这个特质通常用于定义清晰的转换逻辑，定义了一个结构体 Number，并实现了从 i32 到 Number 的转换

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use std::convert::From;

struct Number {
    value: i32,
}

impl From<i32> for Number {
    fn from(item: i32) -> Self {
        Number { value: item }
    }
}

Into 特质

Into 特质是 From 的互补特质。如果为类型 A 实现了 From<B>，那么同时也自动为 B 实现了 Into<A>。这意味着你可以使用 into 方法将类型 B 转换为类型 A。如，使用 from 和 into 方法来进行类型转换

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fn main() {
    let my_number = Number::from(30);
    let int: i32 = 5;
    let num: Number = int.into();

    println!("My number is {}", my_number.value);
    println!("Num is {}", num.value);
}

使用场景

  • 当你需要一个明确的转换方法时，使用 From
  • 当你需要为多种类型提供灵活的转换方式时，使用 Into

这两个特质在 Rust 的错误处理中尤其常见，例如将各种错误类型转换为统一的错误类型，使得错误处理更加统一和方便

注意！

From 和 Into 是不会失败的trait——它们的 API 要求这种转换不会失败。许多转换远比这复杂得多。例如，像 i64 这样的大整数可以存储比 i32 大得多的数值，如果没有一些额外的信息，那么将像 2_000_000_000_000i64 这样的数值转换成 i32 就没有多大意义。如果进行简单的按位转换，那么其中前 32 位就会被丢弃，通常不会产生我们预期的结果

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let huge = 2_000_000_000_000i64;
let smaller = huge as i32;
println!("{}", smaller); // -1454759936

有很多选项可以处理这种情况。根据上下文的不同，“回绕型”转换可能比较合适。另外，像数字信号处理和控制系统这样的应用程序通常会使用“饱和型”转换，它会把比可能的最大值还要大的数值限制为最大值

TryFrom 与 TryInto

由于转换的行为方式不够清晰，因此 Rust 没有为 i32 实现 From<i64>，也没有实现任何其他可能丢失信息的数值类型之间的转换，而是为 i32 实现了 TryFrom<i64>。TryFrom 和 TryInto 是 From 和 Into 的容错版“表亲”，这种转换同样是双向的，实现了 TryFrom 也就意味着实现了 TryInto

TryFrom 和 TryInto 的定义比 From 和 Into 稍微复杂一点儿

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pub trait TryFrom<T>: Sized {
    type Error;
    fn try_from(value: T) -> Result<Self, Self::Error>;
}

pub trait TryInto<T>: Sized {
    type Error;
    fn try_into(self) -> Result<T, Self::Error>;
}

TryFrom 特质

TryFrom 特质用于定义一个可能失败的类型转换。如果转换可能因为某些原因失败（例如，超出范围、格式错误等），则使用 TryFrom。它返回一个 Result 类型，成功时包含目标类型，失败时包含错误信息。如这个例子中，SmallNumber 只接受 0 到 255 范围内的 i32 值。如果尝试从超出此范围的 i32 值转换，则会返回错误

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use std::convert::TryFrom;

struct SmallNumber {
    value: u8,
}

impl TryFrom<i32> for SmallNumber {
    type Error = String;

    fn try_from(value: i32) -> Result<Self, Self::Error> {
        if value >= 0 && value <= 255 {
            Ok(SmallNumber { value: value as u8 })
        } else {
            Err("Number out of range".to_string())
        }
    }
}

TryInto 特质

TryInto 特质是 TryFrom 的互补特质。如果为类型 A 实现了 TryFrom<B>，那么同时也自动为 B 实现了 TryInto<A>。这意味着你可以使用 try_into 方法尝试将类型 B 转换为类型 A，并处理可能的错误。在这个例子中，我们展示了如何使用 TryFrom 和 TryInto 来处理可能失败的转换

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fn main() {
    let large_number: i32 = 1000;
    let small_number: Result<SmallNumber, _> = SmallNumber::try_from(large_number);

    match small_number {
        Ok(n) => println!("Small number is {}", n.value),
        Err(e) => println!("Error: {}", e),
    }

    let another_number: i32 = 150;
    let result: Result<SmallNumber, _> = another_number.try_into();

    match result {
        Ok(n) => println!("Small number is {}", n.value),
        Err(e) => println!("Error: {}", e),
    }
}

使用场景

  • 当输入数据的有效性不确定时，使用 TryFrom 和 TryInto 可以安全地尝试进行类型转换
  • 它们常用于处理外部数据，如用户输入、文件读取等，这些数据可能不满足我们的预期格式或范围

这两个特质提供了一种类型安全的方式来处理可能错误的转换，使得代码更加健壮和易于维护

From 和 Into 可以将类型与简单转换关联起来，而 TryFrom 和 TryInto 通过 Result 提供的富有表现力的错误处理扩展了 From 和 Into 的简单转换。这 4 个trait可以一起使用，在同一个 crate 中关联多个类型

小结

语言扩展 trait 已经了解了，里面有很多新的概念，虽然敲了示例代码，距离熟练掌握还有很长的路要走，还需多敲代码，在实践中夯实基础

欢迎大家讨论交流，如果喜欢本文章或感觉文章有用，动动你那发财的小手点赞、收藏、关注再走呗 ^_^

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