深入了解特征

特征之于 Rust 更甚于接口之于其他语言，因此特征在 Rust 中很重要也相对较为复杂，我们决定把特征分为两篇进行介绍，第一篇在之前已经讲过，现在就是第二篇：关于特征的进阶篇，会讲述一些不常用到但是你该了解的特性。

关联类型

在方法一章中，我们讲到了关联函数，但是实际上关联类型和关联函数并没有任何交集，虽然它们的名字有一半的交集。

关联类型是在特征定义的语句块中，申明一个自定义类型，这样就可以在特征的方法签名中使用该类型：


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Iterator {
    type Item;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}
}

以上是标准库中的迭代器特征 Iterator，它有一个 Item 关联类型，用于替代遍历的值的类型。

同时，next 方法也返回了一个 Item 类型，不过使用 Option 枚举进行了包裹，假如迭代器中的值是 i32 类型，那么调用 next 方法就将获取一个 Option<i32> 的值。

还记得 Self 吧？在之前的章节提到过， Self 用来指代当前调用者的具体类型，那么 Self::Item 就用来指代该类型实现中定义的 Item 类型：

impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        // --snip--
    }
}

fn main() {
    let c = Counter{..}
    c.next()
}

在上述代码中，我们为 Counter 类型实现了 Iterator 特征，变量 c 是特征 Iterator 的实例，也是 next 方法的调用者。结合之前的黑体内容可以得出：对于 next 方法而言，Self 是调用者 c 的具体类型： Counter，而 Self::Item 是 Counter 中定义的 Item 类型: u32。

聪明的读者之所以聪明，是因为你们喜欢联想和举一反三，同时你们也喜欢提问：为何不用泛型，例如如下代码：


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Iterator<Item> {
    fn next(&mut self) -> Option<Item>;
}
}

答案其实很简单，为了代码的可读性，当你使用了泛型后，你需要在所有地方都写 Iterator<Item>，而使用了关联类型，你只需要写 Iterator，当类型定义复杂时，这种写法可以极大的增加可读性：


#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait CacheableItem: Clone + Default + fmt::Debug + Decodable + Encodable {
  type Address: AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash;
  fn is_null(&self) -> bool;
}
}

例如上面的代码，Address 的写法自然远比 AsRef<[u8]> + Clone + fmt::Debug + Eq + Hash 要简单的多，而且含义清晰。

再例如，如果使用泛型，你将得到以下的代码：


#![allow(unused)]
fn main() {
trait Container<A,B> {
    fn contains(&self,a: A,b: B) -> bool;
}

fn difference<A,B,C>(container: &C) -> i32
  where
    C : Container<A,B> {...}
}

可以看到，由于使用了泛型，导致函数头部也必须增加泛型的声明，而使用关联类型，将得到可读性好得多的代码：


#![allow(unused)]
fn main() {
trait Container{
    type A;
    type B;
    fn contains(&self, a: &Self::A, b: &Self::B) -> bool;
}

fn difference<C: Container>(container: &C) {}
}

默认泛型类型参数

当使用泛型类型参数时，可以为其指定一个默认的具体类型，例如标准库中的 std::ops::Add 特征：


#![allow(unused)]
fn main() {
trait Add<RHS=Self> {
    type Output;

    fn add(self, rhs: RHS) -> Self::Output;
}
}

它有一个泛型参数 RHS，但是与我们以往的用法不同，这里它给 RHS 一个默认值，也就是当用户不指定 RHS 时，默认使用两个同样类型的值进行相加，然后返回一个关联类型 Output。

可能上面那段不太好理解，下面我们用代码来举例：

use std::ops::Add;

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

impl Add for Point {
    type Output = Point;

    fn add(self, other: Point) -> Point {
        Point {
            x: self.x + other.x,
            y: self.y + other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    assert_eq!(Point { x: 1, y: 0 } + Point { x: 2, y: 3 },
               Point { x: 3, y: 3 });
}

上面的代码主要干了一件事，就是为 Point 结构体提供 + 的能力，这就是运算符重载，不过 Rust 并不支持创建自定义运算符，你也无法为所有运算符进行重载，目前来说，只有定义在 std::ops 中的运算符才能进行重载。

跟 + 对应的特征是 std::ops::Add，我们在之前也看过它的定义 trait Add<RHS=Self>，但是上面的例子中并没有为 Point 实现 Add<RHS> 特征，而是实现了 Add 特征（没有默认泛型类型参数），这意味着我们使用了 RHS 的默认类型，也就是 Self。换句话说，我们这里定义的是两个相同的 Point 类型相加，因此无需指定 RHS。

与上面的例子相反，下面的例子，我们来创建两个不同类型的相加：


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::ops::Add;

struct Millimeters(u32);
struct Meters(u32);

impl Add<Meters> for Millimeters {
    type Output = Millimeters;

    fn add(self, other: Meters) -> Millimeters {
        Millimeters(self.0 + (other.0 * 1000))
    }
}
}

这里，是进行 Millimeters + Meters 两种数据类型的 + 操作，因此此时不能再使用默认的 RHS，否则就会变成 Millimeters + Millimeters 的形式。使用 Add<Meters> 可以将 RHS 指定为 Meters，那么 fn add(self, rhs: RHS) 自然而言的变成了 Millimeters 和 Meters 的相加。

默认类型参数主要用于两个方面：

减少实现的样板代码
扩展类型但是无需大幅修改现有的代码

之前的例子就是第一点，虽然效果也就那样。在 + 左右两边都是同样类型时，只需要 impl Add 即可，否则你需要 impl Add<SOME_TYPE>，嗯，会多写几个字:)

对于第二点，也很好理解，如果你在一个复杂类型的基础上，新引入一个泛型参数，可能需要修改很多地方，但是如果新引入的泛型参数有了默认类型，情况就会好很多，添加泛型参数后，使用这个类型的代码需要逐个在类型提示部分添加泛型参数，就很麻烦；但是有了默认参数（且默认参数取之前的实现里假设的值的情况下）之后，原有的使用这个类型的代码就不需要做改动了。

归根到底，默认泛型参数，是有用的，但是大多数情况下，咱们确实用不到，当需要用到时，大家再回头来查阅本章即可，手上有剑，心中不慌。

调用同名的方法

不同特征拥有同名的方法是很正常的事情，你没有任何办法阻止这一点；甚至除了特征上的同名方法外，在你的类型上，也有同名方法：


#![allow(unused)]
fn main() {
trait Pilot {
    fn fly(&self);
}

trait Wizard {
    fn fly(&self);
}

struct Human;

impl Pilot for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("This is your captain speaking.");
    }
}

impl Wizard for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("Up!");
    }
}

impl Human {
    fn fly(&self) {
        println!("*waving arms furiously*");
    }
}
}

这里，不仅仅两个特征 Pilot 和 Wizard 有 fly 方法，就连实现那两个特征的 Human 单元结构体，也拥有一个同名方法 fly (这世界怎么了，非要这么卷吗？程序员何苦难为程序员，哎)。

既然代码已经不可更改，那下面我们来讲讲该如何调用这些 fly 方法。

优先调用类型上的方法

当调用 Human 实例的 fly 时，编译器默认调用该类型中定义的方法：

fn main() {
    let person = Human;
    person.fly();
}

这段代码会打印 *waving arms furiously*，说明直接调用了类型上定义的方法。

调用特征上的方法

为了能够调用两个特征的方法，需要使用显式调用的语法：

fn main() {
    let person = Human;
    Pilot::fly(&person); // 调用Pilot特征上的方法
    Wizard::fly(&person); // 调用Wizard特征上的方法
    person.fly(); // 调用Human类型自身的方法
}

运行后依次输出：

This is your captain speaking.
Up!
*waving arms furiously*

因为 fly 方法的参数是 self，当显式调用时，编译器就可以根据调用的类型( self 的类型)决定具体调用哪个方法。

这个时候问题又来了，如果方法没有 self 参数呢？稍等，估计有读者会问：还有方法没有 self 参数？看到这个疑问，作者的眼泪不禁流了下来，大明湖畔的关联函数，你还记得嘛？

但是成年人的世界，就算再伤心，事还得做，咱们继续：

trait Animal {
    fn baby_name() -> String;
}

struct Dog;

impl Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("Spot")
    }
}

impl Animal for Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("puppy")
    }
}

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", Dog::baby_name());
}

就像人类妈妈会给自己的宝宝起爱称一样，狗妈妈也会。狗妈妈称呼自己的宝宝为Spot，其它动物称呼狗宝宝为puppy，这个时候假如有动物不知道该如何称呼狗宝宝，它需要查询一下。

Dog::baby_name() 的调用方式显然不行，因为这只是狗妈妈对宝宝的爱称，可能你会想到通过下面的方式查询其他动物对狗狗的称呼：

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
}

铛铛，无情报错了：


#![allow(unused)]
fn main() {
error[E0283]: type annotations needed // 需要类型注释
  --> src/main.rs:20:43
   |
20 |     println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
   |                                           ^^^^^^^^^^^^^^^^^ cannot infer type // 无法推断类型
   |
   = note: cannot satisfy `_: Animal`
}

因为单纯从 Animal::baby_name() 上，编译器无法得到任何有效的信息：实现 Animal 特征的类型可能有很多，你究竟是想获取哪个动物宝宝的名称？狗宝宝？猪宝宝？还是熊宝宝？

此时，就需要使用完全限定语法。

完全限定语法

完全限定语法是调用函数最为明确的方式：

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", <Dog as Animal>::baby_name());
}

在尖括号中，通过 as 关键字，我们向 Rust 编译器提供了类型注解，也就是 Animal 就是 Dog，而不是其他动物，因此最终会调用 impl Animal for Dog 中的方法，获取到其它动物对狗宝宝的称呼：puppy。

言归正题，完全限定语法定义为：


#![allow(unused)]
fn main() {
<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);
}

上面定义中，第一个参数是方法接收器 receiver （三种 self），只有方法才拥有，例如关联函数就没有 receiver。

完全限定语法可以用于任何函数或方法调用，那么我们为何很少用到这个语法？原因是 Rust 编译器能根据上下文自动推导出调用的路径，因此大多数时候，我们都无需使用完全限定语法。只有当存在多个同名函数或方法，且 Rust 无法区分出你想调用的目标函数时，该用法才能真正有用武之地。

特征定义中的特征约束

有时，我们会需要让某个特征 A 能使用另一个特征 B 的功能(另一种形式的特征约束)，这种情况下，不仅仅要为类型实现特征 A，还要为类型实现特征 B 才行，这就是 supertrait (实在不知道该如何翻译，有大佬指导下嘛？)

例如有一个特征 OutlinePrint，它有一个方法，能够对当前的实现类型进行格式化输出：


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::fmt::Display;

trait OutlinePrint: Display {
    fn outline_print(&self) {
        let output = self.to_string();
        let len = output.len();
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("* {} *", output);
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
    }
}
}

等等，这里有一个眼熟的语法: OutlinePrint: Display，感觉很像之前讲过的特征约束，只不过用在了特征定义中而不是函数的参数中，是的，在某种意义上来说，这和特征约束非常类似，都用来说明一个特征需要实现另一个特征，这里就是：如果你想要实现 OutlinePrint 特征，首先你需要实现 Display 特征。

想象一下，假如没有这个特征约束，那么 self.to_string 还能够调用吗（ to_string 方法会为实现 Display 特征的类型自动实现）？编译器肯定是不愿意的，会报错说当前作用域中找不到用于 &Self 类型的方法 to_string ：


#![allow(unused)]
fn main() {
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

impl OutlinePrint for Point {}
}

因为 Point 没有实现 Display 特征，会得到下面的报错：

error[E0277]: the trait bound `Point: std::fmt::Display` is not satisfied
  --> src/main.rs:20:6
   |
20 | impl OutlinePrint for Point {}
   |      ^^^^^^^^^^^^ `Point` cannot be formatted with the default formatter;
try using `:?` instead if you are using a format string
   |
   = help: the trait `std::fmt::Display` is not implemented for `Point`

既然我们有求于编译器，那只能选择满足它咯：


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::fmt;

impl fmt::Display for Point {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "({}, {})", self.x, self.y)
    }
}
}

上面代码为 Point 实现了 Display 特征，那么 to_string 方法也将自动实现：最终获得字符串是通过这里的 fmt 方法获得的。

在外部类型上实现外部特征(newtype)

在特征章节中，有提到孤儿规则，简单来说，就是特征或者类型必需至少有一个是本地的，才能在此类型上定义特征。

这里提供一个办法来绕过孤儿规则，那就是使用newtype 模式，简而言之：就是为一个元组结构体创建新类型。该元组结构体封装有一个字段，该字段就是希望实现特征的具体类型。

该封装类型是本地的，因此我们可以为此类型实现外部的特征。

newtype 不仅仅能实现以上的功能，而且它在运行时没有任何性能损耗，因为在编译期，该类型会被自动忽略。

下面来看一个例子，我们有一个动态数组类型： Vec<T>，它定义在标准库中，还有一个特征 Display，它也定义在标准库中，如果没有 newtype，我们是无法为 Vec<T> 实现 Display 的：

error[E0117]: only traits defined in the current crate can be implemented for arbitrary types
--> src/main.rs:5:1
|
5 | impl<T> std::fmt::Display for Vec<T> {
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^------
| |                             |
| |                             Vec is not defined in the current crate
| impl doesn't use only types from inside the current crate
|
= note: define and implement a trait or new type instead

编译器给了我们提示： define and implement a trait or new type instead，重新定义一个特征，或者使用 new type，前者当然不可行，那么来试试后者：

use std::fmt;

struct Wrapper(Vec<String>);

impl fmt::Display for Wrapper {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "[{}]", self.0.join(", "))
    }
}

fn main() {
    let w = Wrapper(vec![String::from("hello"), String::from("world")]);
    println!("w = {}", w);
}

其中，struct Wrapper(Vec<String>) 就是一个元组结构体，它定义了一个新类型 Wrapper，代码很简单，相信大家也很容易看懂。

既然 new type 有这么多好处，它有没有不好的地方呢？答案是肯定的。注意到我们怎么访问里面的数组吗？self.0.join(", ")，是的，很啰嗦，因为需要先从 Wrapper 中取出数组: self.0，然后才能执行 join 方法。

类似的，任何数组上的方法，你都无法直接调用，需要先用 self.0 取出数组，然后再进行调用。

当然，解决办法还是有的，要不怎么说 Rust 是极其强大灵活的编程语言！Rust 提供了一个特征叫 Deref，实现该特征后，可以自动做一层类似类型转换的操作，可以将 Wrapper 变成 Vec<String> 来使用。这样就会像直接使用数组那样去使用 Wrapper，而无需为每一个操作都添加上 self.0。

同时，如果不想 Wrapper 暴露底层数组的所有方法，我们还可以为 Wrapper 去重载这些方法，实现隐藏的目的。

课后练习

Rust By Practice，支持代码在线编辑和运行，并提供详细的习题解答。

Rust语言圣经(Rust Course)