Rust 常數泛型與特徵進階應用

Rust 的泛型和特徵系統為程式設計提供了高度的彈性和抽象能力。常數泛型允許在編譯期指定陣列大小等引數，提升效能和型別安全。對於外部 crate 的型別，我們可以利用包裝結構體和 Deref 特徵來擴充套件其功能，避免 crate 間的衝突。擴充套件特徵則提供了一種為既有型別新增新方法的簡潔方式，而全覆寫特徵則能為所有滿足特定條件的型別提供預設實作，進一步提升程式碼的通用性和可維護性。這些進階技巧能幫助開發者編寫更具彈性、高效且安全的 Rust 程式碼。

使用特徵、泛型和結構體進行專門任務

前幾章介紹了多種Rust進階技術，本章將對這些主題進行擴充套件，並探討更進階的設計模式。這些模式在許多情況下都很有用，但由於實作較為複雜，且通常適用於較少遇到的場景，因此使用頻率較低。

7.1 常數泛型

Rust的常數泛型是一種特殊的泛型，允許在泛型中使用常數值。常數泛型解決了語言中長期存在的問題，即當需要在結構中包含一個依賴於常數值的欄位時（例如陣列的長度）。常數值僅在例項化時才會被知道，因此如果沒有常數泛型，唯一的實作方式就是為每個所需的尺寸建立一個結構版本——這正是許多函式庫的做法。

問題描述

假設我們有一個具有位元組陣列的通用結構，我們稱之為緩衝區：

struct Buffer {
    buf: [u8; 256],
}

我們的緩衝區可容納256個位元組。如果我們希望使其變得通用，以便可以容納任何型別，而不僅僅是位元組，該怎麼辦？讓我們這樣做：

struct Buffer<T> {
    buf: [T; 256],
}

現在我們的緩衝區可以容納256個任意型別的元素。但等一下——如果我們希望陣列的長度是任意的怎麼辦？換句話說，我們應該在例項化時使陣列的長度可變。一種方法是使用Vec，它可以在執行時調整大小。使用Vec的問題在於它需要堆積積分配（而我們可以在堆積疊上分配一個普通的陣列），並且它引入了一定程度的額外負擔，例如複製值而不是移動它們。

解決方案：使用常數泛型

如果我們知道陣列的長度在緩衝區的整個生命週期中永遠不會改變（通常情況下確實如此），我們可以使用常數泛型引數。讓我們使用常數泛型引入一個LENGTH引數：

#[derive(Debug)]
struct Buffer<T, const LENGTH: usize> {
    buf: [T; LENGTH],
}

內容解密：

在上述程式碼中，我們定義了一個名為Buffer的結構體，它具有兩個泛型引數：T和const LENGTH: usize。
T代表緩衝區中元素的型別，而LENGTH則代表緩衝區的大小。
buf: [T; LENGTH]表示緩衝區是一個大小為LENGTH、型別為T的陣列。
使用常數泛型，我們可以在編譯時指定緩衝區的大小，從而避免了執行時的額外負擔。
#[derive(Debug)]屬性允許我們使用{:?}格式化符號來列印Buffer例項的除錯表示。

常數泛型的應用場景

常數泛型可以用於任何具有基本常數和泛型引數的地方，例如定義陣列的大小。我們可以使用任何根據整數的基本型別，如i32、u32和usize。我們還可以使用char和bool型別（在編譯器層面上，它們在大多數平台上等同於u8），但不允許使用浮點數值。

7.2 將特徵應用於外部套件型別

在Rust中，我們可以為現有的型別實作特徵，即使這些型別是在我們的套件外部定義的。這種能力使得我們可以擴充套件現有型別的功能，使其適應我們的特定需求。

示例：為外部型別實作特徵

假設我們想要為標準函式庫中的Vec型別實作一個自定義特徵：

trait CustomTrait {
    fn custom_method(&self);
}

impl<T> CustomTrait for Vec<T> {
    fn custom_method(&self) {
        println!("Custom method for Vec");
    }
}

內容解密：

在上述程式碼中，我們定義了一個名為CustomTrait的特徵，它具有一個方法custom_method。
我們為Vec<T>實作了CustomTrait，其中T是一個泛型引數。
在實作中，我們為Vec<T>提供了custom_method的具體實作。
這樣，我們就可以對任何Vec例項呼叫custom_method，即使Vec是在標準函式庫中定義的。

7.3 使用擴充套件特徵擴充套件型別

擴充套件特徵是一種設計模式，用於為現有的型別新增新的方法，而無需修改原始型別的定義。

示例：使用擴充套件特徵

trait MyExtension {
    fn my_extension_method(&self);
}

impl MyExtension for String {
    fn my_extension_method(&self) {
        println!("Extension method for String: {}", self);
    }
}

內容解密：

在上述程式碼中，我們定義了一個名為MyExtension的特徵，它具有一個方法my_extension_method。
我們為String型別實作了MyExtension，從而為其增加了一個新的方法。
這樣，我們就可以對任何String例項呼叫my_extension_method。

7.1 常數泛型（Const Generics）深度解析

在 Rust 程式語言中，常數泛型是一種強大的功能，能夠讓開發者在編譯期對泛型引數進行常數值的指定。這種機制使得我們能夠在不犧牲效能的前提下，實作更為靈活且安全的資料結構。

為何需要常數泛型？

在沒有常數泛型的時代，開發者經常需要使用巨集或其他 hack 手段來實作固定大小的陣列或資料結構。然而，這些方法往往伴隨著可讀性差、維護困難等問題。常數泛型的出現完美地解決了這些痛點。

常數泛型的實際應用

讓我們考慮一個實際的例子：實作一個 Buffer 結構體，它能夠儲存任意型別和大小的陣列。

struct Buffer<T, const LENGTH: usize> {
    buf: [T; LENGTH],
}

在這個定義中，T 代表陣列元素的型別，而 LENGTH 則是陣列的大小。透過常數泛型，我們可以為不同的 LENGTH 值建立不同的 Buffer 型別。

#### 內容解密：

struct Buffer<T, const LENGTH: usize> 定義了一個名為 Buffer 的結構體，它有兩個泛型引數：T 和 LENGTH。
T 是陣列元素的型別，可以是任意合法的 Rust 型別。
const LENGTH: usize 表示 LENGTH 是一個在編譯期已知的常數，代表陣列的大小。

從陣列建立 Buffer

為了方便使用，我們可以實作 From 特徵，讓 Buffer 能夠從陣列直接建立：

impl<T, const LENGTH: usize> From<[T; LENGTH]> for Buffer<T, LENGTH> {
    fn from(buf: [T; LENGTH]) -> Self {
        Buffer { buf }
    }
}

#### 內容解密：

impl<T, const LENGTH: usize> From<[T; LENGTH]> for Buffer<T, LENGTH> 為 Buffer<T, LENGTH> 實作了從 [T; LENGTH] 轉換而來的 From 特徵。
這使得我們可以直接使用 Buffer::from([元素陣列]) 的方式來建立 Buffer 例項。

使用範例

let buf = Buffer::from([0, 1, 2, 3]);
dbg!(&buf);

執行上述程式碼，將輸出：

[src/main.rs:14] &buf = Buffer {
    buf: [
        0,
        1,
        2,
        3,
    ],
}

#### 內容解密：

在這個範例中，我們建立了一個包含 [0, 1, 2, 3] 的 Buffer。
dbg!巨集用於除錯輸出，可以看到 Buffer 的內部狀態。

常數泛型的優勢

型別安全：不同的 LENGTH 值會產生不同的型別，避免了因陣列大小不符而導致的錯誤。
編譯期最佳化：由於 LENGTH 在編譯期已知，編譯器可以進行更有效的最佳化。
程式碼重用：透過泛型，我們可以寫出更通用的程式碼，而不需要為每種大小的陣列重複實作相同的邏輯。

7.2 為外部 crate 的型別實作特徵

在 Rust 中，有一個重要的限制：你無法為外部 crate 中的型別實作外部特徵。這是為了避免不同 crate 對同一型別實作相同特徵時可能產生的衝突。

使用包裝結構體（Wrapper Structs）繞過限制

為了繞過這個限制，我們可以使用包裝結構體結合 Deref 特徵來實作所需的特徵。

#### 建立包裝結構體

首先，定義一個包裝結構體來包裹目標型別：

struct WrappedVec<T>(Vec<T>);

#### 實作 Deref 特徵

接著，為我們的包裝結構體實作 Deref 特徵：

impl<T> Deref for WrappedVec<T> {
    type Target = Vec<T>;
    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.0
    }
}

#### 內容解密：

Deref 特徵允許我們的包裝結構體自動解參照到被包裹的型別（在本例中是 Vec<T>）。
這使得我們可以直接在 WrappedVec 上呼叫 Vec<T> 的方法。

使用 Deref 解封裝包裝結構體

透過實作 Deref，我們可以像使用原始的 Vec 一樣使用我們的 WrappedVec：

let wrapped_vec = WrappedVec(vec![1, 2, 3]);
wrapped_vec.iter().for_each(|v| println!("{}", v));

#### 內容解密：

即使 WrappedVec 本身沒有實作 iter() 方法，但由於 Deref 的作用，我們仍然可以呼叫它。
這是因為編譯器會自動將 wrapped_vec.iter() 解參照為對內部 Vec 的呼叫。

為外部型別新增功能：擴充特徵（Extension Traits）

擴充特徵是一種為外部型別或特徵新增功能的方式。它的命名慣例通常是以 Ext 為字尾。

#### 定義擴充特徵

舉例來說，我們可以為 Vec 新增一個名為 ReverseExt 的擴充特徵，提供一個傳回反轉後向量的 reversed() 方法：

pub trait ReverseExt<T> {
    fn reversed(&self) -> Vec<T>;
}

impl<T: Clone> ReverseExt<T> for Vec<T> {
    fn reversed(&self) -> Vec<T> {
        self.iter().cloned().rev().collect()
    }
}

#### 內容解密：

我們定義了一個名為 ReverseExt 的特徵，其中包含一個傳回反轉後向量的 reversed() 方法。
為了讓所有實作了 Clone 特徵的型別都能使用這個方法，我們為 Vec<T> 實作了 ReverseExt<T>。

使用特性、泛型和結構體進行專門任務的實踐

在 Rust 程式設計中，特性（traits）、泛型（generics）和結構體（structs）是三個強大的工具，它們可以幫助開發者編寫更加靈活、可重用和可維護的程式碼。本章將探討如何使用這些特性來完成專門的任務。

7.3 擴充套件特性

擴充套件特性是一種為現有型別新增新功能的方法，而無需修改原始型別的定義。這在你想要為第三方函式庫中的型別新增功能時尤其有用。

為 `Vec` 實作 `ReverseExt`

首先，我們定義一個名為 ReverseExt 的特性，它包含一個名為 reversed 的方法，用於傳回一個向量的反轉副本。

pub trait ReverseExt<T> {
    fn reversed(&self) -> Vec<T>;
}

接下來，我們為 Vec<T> 實作 ReverseExt<T>，其中 T 必須實作 Clone 特性。

impl<T> ReverseExt<T> for Vec<T>
where
    T: Clone,
{
    fn reversed(&self) -> Vec<T> {
        self.iter().rev().cloned().collect()
    }
}

測試 `ReverseExt`

我們可以透過以下程式碼測試 ReverseExt 的實作：

let forward = vec![1, 2, 3];
let reversed = forward.reversed();
dbg!(&forward);
dbg!(&reversed);

執行上述程式碼將輸出：

  [src/main.rs:17] &forward = [
    1,
    2,
    3,
]
[src/main.rs:18] &reversed = [
    3,
    2,
    1,
]

將擴充套件特性應用於其他特性

除了將擴充套件特性應用於特定的型別之外，我們還可以將其應用於其他的特性。例如，我們可以為 DoubleEndedIterator 特性新增一個名為 to_reversed 的方法。

pub trait DoubleEndedIteratorExt: DoubleEndedIterator {
    fn to_reversed<'a, T>(self) -> Vec<T>
    where
        T: 'a + Clone,
        Self: Sized + Iterator<Item = &'a T>;
}

impl<I: DoubleEndedIterator> DoubleEndedIteratorExt for I {
    fn to_reversed<'a, T>(self) -> Vec<T>
    where
        T: 'a + Clone,
        Self: Sized + Iterator<Item = &'a T>,
    {
        self.rev().cloned().collect()
    }
}

測試 `DoubleEndedIteratorExt`

我們可以透過以下程式碼測試 DoubleEndedIteratorExt 的實作：

let other_reversed = forward.iter().to_reversed();
dbg!(&other_reversed);

執行上述程式碼將輸出：

  [src/main.rs:38] &other_reversed = [
    3,
    2,
    1,
]

7.4 全覆寫特性

全覆寫特性是一種為滿足特定條件的所有型別提供預設實作的方法。這在你想要為一大型別別提供共同功能時非常有用。

為 `ToString` 特性提供全覆寫實作

Rust 的標準函式庫中，ToString 特性為所有實作了 Display 特性的型別提供了全覆寫實作。

impl<T: Display> ToString for T {
    // ...
}

這意味著任何實作了 Display 特性的型別都可以自動獲得 ToString 特性的實作。

自定義全覆寫特性

我們也可以定義自己的全覆寫特性。例如：

trait Blanket {}

impl<T> Blanket for T {}

這個例子雖然簡單，但展示瞭如何為所有型別提供一個預設的特性實作。

結合其他特性和型別

全覆寫特性可以與其他特性和型別結合使用，以提供更具體的功能。例如，我們可以為 Buffer 型別提供一個從 Vec<T> 到 Buffer<T, LENGTH> 的轉換。

impl<T: Default + Copy, const LENGTH: usize> From<Vec<T>> for Buffer<T, LENGTH> {
    fn from(v: Vec<T>) -> Self {
        assert_eq!(LENGTH, v.len());
        let mut ret = Self {
            buf: [T::default(); LENGTH],
        };
        ret.buf.copy_from_slice(&v);
        ret
    }
}

測試全覆寫特性

我們可以透過以下程式碼測試上述全覆寫特性的實作：

let group_of_seven = vec![
    "Canada",
    "France",
    "Germany",
    "Italy",
    "Japan",
    "United Kingdom",
    "United States",
    "European Union",
];
let g7_buf: Buffer<&str, 8> = Buffer::from(group_of_seven);
dbg!(&g7_buf);

後續發展方向

在掌握了本章的內容之後，讀者可以進一步探索 Rust 的高階特性，例如：

高階泛型程式設計：深入研究泛型的更多用法，包括更高階的 trait bounds 和泛型關聯型別。
錯誤處理和結果型別：學習如何有效地使用 Result 和 Option 型別來處理錯誤和可選值。
並發程式設計：利用 Rust 的所有權系統和型別系統來編寫安全且高效的並發程式碼。
宏程式設計：瞭解如何使用 Rust 的宏系統來自動生成程式碼，從而提高開發效率。

透過不斷學習和實踐，讀者可以進一步提升自己的 Rust 程式設計技能，並在實際專案中應用所學知識。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。

Rust 常數泛型與特徵進階應用

使用特徵、泛型和結構體進行專門任務

7.1 常數泛型

問題描述

解決方案：使用常數泛型

內容解密：

常數泛型的應用場景

7.2 將特徵應用於外部套件型別

示例：為外部型別實作特徵

內容解密：

7.3 使用擴充套件特徵擴充套件型別

示例：使用擴充套件特徵

內容解密：

7.1 常數泛型（Const Generics）深度解析

為何需要常數泛型？

常數泛型的實際應用

#### 內容解密：

從陣列建立 Buffer

#### 內容解密：

使用範例

#### 內容解密：

常數泛型的優勢

7.2 為外部 crate 的型別實作特徵

使用包裝結構體（Wrapper Structs）繞過限制

#### 建立包裝結構體

#### 實作 Deref 特徵

#### 內容解密：

使用 Deref 解封裝包裝結構體

#### 內容解密：

為外部型別新增功能：擴充特徵（Extension Traits）

#### 定義擴充特徵

#### 內容解密：

使用特性、泛型和結構體進行專門任務的實踐

7.3 擴充套件特性

為 Vec 實作 ReverseExt

測試 ReverseExt

將擴充套件特性應用於其他特性

測試 DoubleEndedIteratorExt

7.4 全覆寫特性

為 ToString 特性提供全覆寫實作

自定義全覆寫特性

結合其他特性和型別

測試全覆寫特性

後續發展方向

玄貓

為 `Vec` 實作 `ReverseExt`

測試 `ReverseExt`

測試 `DoubleEndedIteratorExt`

為 `ToString` 特性提供全覆寫實作