30天拿下Rust之Trait

概述

    在Rust中，Trait是一个核心概念，它允许我们定义类型应该具有的行为。Trait类似于其他语言中的接口，但Rust的Trait更为强大和灵活。它不仅定义了一组方法，还允许我们指定方法的默认实现、泛型约束和继承。通过Trait，我们可以定义一组方法的签名和关联类型，使得不同的类型能够共享相同的行为接口，进而支持多态性。

定义Trait

    在Rust中，Trait（特征）用于定义一组方法签名，这些方法可以由任何实现了该Trait的类型来提供具体的实现。Trait提供了一种抽象机制，允许我们编写与具体类型无关的通用代码。

    在Rust中定义Trait的基本步骤如下。

    1、声明Trait：使用trait关键字来声明一个新的Trait。

    2、定义方法：在Trait体内，列出所有该Trait类型必须实现的方法，包括：方法名、参数列表和返回类型。

    3、可选的默认实现：可以为Trait中的方法提供默认实现，这样实现该Trait的类型可以选择是否覆盖这些默认实现。

    在下面的示例代码中，我们定义了一个名为Shape的Trait，它有两个方法：area()和perimeter()。area()方法没有默认实现，这意味着，任何实现Shape Trait的类型都必须提供这个方法的具体实现。perimeter()方法有一个默认实现，返回值为0.0。实现这个Trait的类型可以选择提供自己的实现来覆盖这个默认值，当然，也可以不覆盖。

trait Shape {
    // 定义一个没有默认实现的方法
    fn area(&self) -> f64;

    // 定义一个带有默认实现的方法
    fn perimeter(&self) -> f64 {
        // 这里是默认实现，但可以被实现该Trait的类型覆盖
        0.0
    }
}

实现Trait

    一旦我们定义了某个Trait，就可以为具体的类型实现它。这通常通过impl关键字来完成，后面跟着Trait名称和类型名称。

    在下面的示例代码中，我们定义了一个Circle结构体，并为它实现了Shape Trait。我们提供了area()和perimeter()方法的具体实现，其中，perimeter()方法覆盖了Shape Trait中定义的默认实现。现在，任何接受Shape Trait作为参数或返回值的函数都可以使用Circle类型的实例，因为Circle实现了Shape Trait。正是这种灵活性，使得Trait成为Rust中实现代码复用和抽象的重要工具。

impl Shape for Circle {
    // 提供area方法的具体实现
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius
    }

    // 覆盖Shape Trait中perimeter方法的默认实现
    fn perimeter(&self) -> f64 {
        2.0 * std::f64::consts::PI * self.radius
    }
}

    在Rust中，一个类型还可以实现多个Trait。

trait Fly {
    fn fly(&self);
}

trait Swim {
    fn swim(&self);
}

struct Duck {
    name: String,
}

impl Fly for Duck {
    fn fly(&self) {
        println!("{} is flying", self.name);
    }
}

impl Swim for Duck {
    fn swim(&self) {
        println!("{} is swimming", self.name);
    }
}

fn main() {
    let duck = Duck { name: "Donald".to_string() };
    duck.fly();
    duck.swim();
}

    在上面的示例代码中，Duck结构体实现了Fly和Swim这两个Trait，因此它既可以飞，也可以游泳。这允许我们在使用Duck实例时，根据需要调用相应的接口方法。

泛型约束

    泛型函数和泛型结构体通常需要对其类型参数施加一些约束，以确保它们支持某些操作。此时，我们可以使用Trait作为泛型约束。

    在下面的示例代码中，我们首先定义了一个名为Displayable的Trait。然后，我们为Fruit结构体实现了Displayable Trait，并编写了display()方法。接下来，我们编写了一个泛型函数print_all，它接受一个实现了Displayable Trait的类型的切片。最后，我们调用print_all()方法，输出了所有水果的信息。

trait Displayable {
    fn display(&self);
}

struct Fruit {
    name: String,
}

impl Displayable for Fruit {
    fn display(&self) {
        println!("Fruit is {}", self.name);
    }
}

fn print_all<T: Displayable>(items: &[T]) {
    for item in items {
        item.display();
    }
}

fn main() {
    let fruits = [
        Fruit { name: String::from("Lemon") },
        Fruit { name: String::from("Apple") },
        Fruit { name: String::from("Peach") },
    ];
    print_all(&fruits);
}

    另外，如果一个函数接受一个参数，并且要求这个参数必须同时满足多个Trait，可以用+符号来表示。对于一些复杂的实现关系，我们可以使用where关键字简化。

fn do_both_actions<T: Fly + Swim>(animal: T) {
    animal.fly();
    animal.swim();
}

fn do_both_actions2<T>(animal: T)
where
    T: Fly + Swim
{
    animal.fly();
    animal.swim();
}

fn main() {
    let duck = Duck { name: "Donald".to_string() };
    do_both_actions(duck);
    do_both_actions2(duck);
}

Trait对象

    要使用Trait对象，我们需要先定义Trait。

    在下面的示例代码中，我们首先定义了一个名为Animal的Trait。然后，我们为Dog结构体和Cat结构体实现了Animal Trait，并编写了speak()方法。

trait Animal {
    fn speak(&self);
}

struct Dog;
impl Animal for Dog {
    fn speak(&self) {
        println!("Dog");
    }
}

struct Cat;
impl Animal for Cat {
    fn speak(&self) {
        println!("Cat");
    }
}

    到这里，我们可以创建Trait对象了。在Rust中，Trait对象是通过使用&dyn Trait语法来表示的，其中Trait是一个trait的名字。这种表示法允许我们在运行时进行动态分派，即可以在不知道具体类型的情况下调用trait中定义的方法。为了创建一个Trait对象，可以将实现了该trait的具体类型的引用转换为&dyn Trait。

    在下面的示例代码中，我们声明了Dog和Cat的实例，分别为dog和cat。接着，我们将&dog和&cat赋值给Trait对象dog_ref和cat_ref。由于dog_ref和cat_ref现在都是Animal Trait对象，故可以安全地调用它们的speak方法，而无需知道它们实际是Dog还是Cat。

fn animal_speak(animal: &dyn Animal) {
    animal.speak();
}

fn main() {
    let dog = Dog;
    let cat = Cat;
    
    // 创建Animal Trait对象
    let dog_ref: &dyn Animal = &dog;
    let cat_ref: &dyn Animal = &cat;

    // 输出：Dog
    animal_speak(dog_ref);
    // 输出：Cat
    animal_speak(cat_ref);
}

    另外，我们还可以将Trait对象作为集合的一部分进行存储，并遍历集合调用Trait对象的方法。

fn main() {
    let dog = Dog;
    let cat = Cat;
    
    // 将Animal Trait对象存储到向量中
    let animals: Vec<&dyn Animal> = vec![&dog, &cat];
    for animal in animals {
        animal.speak();
    }
}

    注意：使用Trait对象会带来一些运行时开销，因为需要在堆上分配一个额外的结构体来存储类型信息，并且调用方法时需要进行间接调用。因此，在性能敏感的场景中，应该谨慎使用Trait对象。