Newtypes 设计模式-实用总结

2022-04-18 15:41:19 浏览数 (1)

Newtypes设计模式

请重点看两个[例程]，[例程]写得真的很好，[例程]更精彩。

适用场景：

  • 克服【孤儿原则】，间接地将第三方crate声明的trait(e.g. Display trait)实现于第三方crate定义的type(e.g. Vec<T>)上。从而，低成本地增强一个已有类型，而不是“重新造轮子”。在js中，这类作法比比皆是。
  • 进一步语义化数据类型。举个例子，让rustc类型系统识别一个i32字面量5为5米，而不是5头猪。这样可以杜绝程序计算中出现“5米 5头猪”的逻辑错误。

场景一：克服【孤儿原则】

操作步骤 [例程1]：

  1. 首先，在本地crate给第三方type定义一个“薄”包装器类型Wrapper（一般为【元组结构体】）。
  2. 然后，将第三方type作为本地Wrapper私有字段的数据类型。
  3. 接着，给本地Wrapper实现第三方trait。
  4. 于是，形成了类型链条：“第三方trait -- 被实现于 --> 本地Wrapper类型 -- 代理 --> 第三方type”。
    • 给本地Wrapper实现Deref / DerefMut trait，将其变形为【智能指针】。
    • 借助于Deref Coercion，本地Wrapper类型实例能够直接.出第三方type的成员方法与字段。从而，达成【代理】的目的。
  5. 最后，【孤儿原则】破防。

场景二：语义化数据类型

最直观的作法是：

给每一个语义单位（比如，米、千米、斤、吨）分别创建一个独立的(tuple) struct（比如，struct Miles(f64);）来

  • 包装标量值
  • 明确语义

从而避免在程序中出现“n米 m斤”的错误逻辑，因为rustc会警告类型不匹配。这个作法的弊端就是：

  • 当对语义化数据类型做【操作符-重载】时，操作符trait（比如，std::ops::Add）需要在每个语义化(tuple) struct上都被实现一遍。
  • 于是，相似的trait实现代码会被重复多次，因为，无论语义单位是“斤”还是“米”，其标量值的四则运算规则实际都是相同的。

更高级的作法是：

  • 将【语义单位】抽象成为共用【语义-包装类型】的【泛型类型参数】。而不是，给每一个语义单位分别创建一个独立的具体类型 --- 真有点傻乎乎的。
  • 借助于std::marker::PhantomData，将代表了语义单位的【泛型类型参数】作为【编译时】的类型标记，而不是【运行时】值。
  • 在静态类型检查之后，该类型标记便会被抛弃掉，而不会造成任何的运行时成本 --- 仅作为辅助【类型系统】静态代码检查的临时语法项。

所以，我理解std::marker::PhantomData newtypes设计模式 = 零（运行时）成本的语义化抽象。

具体的作法 [例程2]：

  1. 声明一个(tuple) struct作为【语义-包装类型】。比如，struct SemVal<A, B>(A, PhantomData<B>);。
    • 前者为标量值数据类型；
    • 后者为编译时语义标记。
    • 前一个字段保存标量值；
    • 后一个字段为std::marker::PhantomData占位类型标记。
    • 有两个字段。
    • 有两个泛型类型形参。
    • (tuple) struct是通用【语义-包装器】。而，所有语义信息都存储在它的泛型类型参数里。
  2. 给(tuple) struct做各种“赋能”
    • 【操作符-重载】，赋能标量值的“四则运算”能力。
    • 实现std::fmt::Display trait，赋能打印日志输出能力。即，输出有语义类型说明的标量值。
    • 派生PartialEq, PartialOrd trait，赋能【大小比较】能力。
    • 派生Clone, Copy trait，使其如标量值一样具有【复制-语义】，而不是【所有权-转移】。
    • 实现std::ops::Deref / std::ops::DerefMut trait，将其变形成【智能指针】和支持Deref Coercion。
    • 实现std::convert::From trait，赋能不同语义单位之间的标量值换算。比如，英寸<->厘米。
  3. 给每个【语义单位】分别定义一个unit type。比如，用struct Centimeter;代表厘米。
    • 敲黑板，强调重点：虽然此unit type仅只作为【编译时】类型标记（并不会渗入【运行时】），但由于【auto trait扩散规则】，咱们也必须对其做Clone, Copy, PartialEq, PartialOrd trait的派生。否则，【语义-包装类型】将不具有【复制-语义】与【大小比较】能力。
  4. 实例化一个有（业务逻辑）语义“加持”的标量值。例如，let cm1 = SemVal::<_, Centimeter>::new(5.0, PhantomData);
    • 标量的具体类型由rustc推断
    • 泛型参数Centimeter标记（业务逻辑）语义类型，代表5.0是厘米
    • 由PhantomData实例占位。
  5. 最后，rust类型系统就会确保
    • 不同（业务逻辑）单位之间，标量值不能四则运算与大小比较。
    • 但，它们可相互做单位换算。
    • 由于【复制语义】，它们不会所有权转移。
    • 能.出所有标量类型的成员方法。比如，求【对数】和【弧度换算】等。

结束语

关于Newtypes设计模式的分享大约就这些。后续有新的感悟与收获，我再补充。请大家持续关注。

例程1：https://play.rust-lang.org/?version=stable&mode=debug&edition=2021&gist=5f0e0536db246c407e7736551c5a78ee

例程2：https://play.rust-lang.org/?version=stable&mode=debug&edition=2021&gist=157195d69872478c9a77acad2107868c

c++ rust 单片机

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