30天拿下Rust之面向对象

概述

    在编程语言的世界中，Rust以其独特的内存安全、并发控制和高性能特性吸引了众多开发者。虽然Rust并非传统的面向对象编程语言（比如：C++、Java），但它依然支持并提供了一种颇具特色的面向对象编程方式，以实现类似于面向对象的编程范式。

    在Rust中，没有类的概念，但提供了模块、结构体、枚举、Trait来模拟面向对象编程的三大特性：封装、继承和多态。下面，我们分别进行介绍。

封装

    Rust的封装机制提供了一种强大的方式来隐藏实现细节，仅暴露必要的接口给使用者。封装是面向对象编程的三大基本特性之一，它有助于创建模块化的代码，提高代码的可维护性和安全性。在Rust中，封装主要通过模块、结构体、私有性等特性来实现。

    Rust使用模块来组织代码，每个模块都有自己的作用域，可以包含函数、类型定义、其他模块等。模块提供了一种自然的封装方式，可以将相关的代码组织在一起，并通过pub关键字来控制哪些内容对外部可见。在之前的专栏文章中，我们曾专门介绍过模块，故这里就不再进一步展开了。

    在Rust中，结构体的字段可以通过指定访问修饰符来控制其可见性。默认情况下，字段是私有的，这意味着它们只能在定义结构体的模块内部被访问。通过pub关键字，我们可以将字段设置为公有，以便在外部访问。

    我们在下面的my_module.rs文件中声明了公开的函数public_func和公开的结构体PublicStruct。private_func函数由于没有使用pub关键字，默认为私有的。

// my_module.rs
pub fn public_func() {
    // ...
}

fn private_func() {
    // ...
}

pub struct PublicStruct {
    pub public_field: i32,
}

    接着，我们在下面的main.rs文件中使用了模块my_module中的函数和结构体。由于private_func是私有的，因此，无法使用use关键字导入，编译会提示错误：function `private_func` is private。

// main.rs
mod my_module;

use my_module::PublicStruct;
use my_module::public_func;
// 错误：该函数是私有的，无法使用
use my_module::private_func;

fn main() {
    let data = PublicStruct { public_field: 66 };
    println!("{}", data.public_field);
    public_func();
}

继承

    Rust并没有传统意义上的继承机制，更倾向于使用组合和Trait来复用和扩展代码。然而，通过一些模式，我们可以在Rust中实现类似继承的效果。

    使用组合模拟继承

    可以通过将一个类型作为另一个类型的字段来实现组合，这可以模拟继承中子类包含父类字段的效果。

struct Parent {
    value: i32,
}

impl Parent {
    fn do_something(&self) {
        println!("parent data: {}", self.value);
    }
}

struct Child {
    parent: Parent,
    extra_value: String,
}

impl Child {
    fn new(value: i32, extra_field: String) -> Child {
        Child {
            parent: Parent { value },
            extra_value: extra_field,
        }
    }

    fn do_child_thing(&self) {
        println!("child data: {}", self.extra_value);
    }

    // 委托给父类的方法
    fn do_something(&self) {
        self.parent.do_something();
    }
}

fn main() {
    let child = Child::new(66, "CSDN".to_string());
    // 调用父类的方法
    child.do_something();
    // 调用子类的方法
    child.do_child_thing();
}

    在上面的示例代码中，Child结构体包含一个Parent类型的字段parent。这允许Child访问和调用Parent的方法，从而模拟了继承的行为。同时，Child还可以添加自己的字段和方法。

    使用Trait模拟接口继承

    Trait在Rust中类似于接口，它们定义了一组方法签名，可以由不同的类型来实现，这可以模拟接口继承的效果。

trait Animal {
    fn speak(&self);
}

struct Dog {
    name: String,
}

impl Animal for Dog {
    fn speak(&self) {
        println!("dog {} speak", self.name);
    }
}

struct Cat {
    name: String,
}

impl Animal for Cat {
    fn speak(&self) {
        println!("cat {} speak", self.name);
    }
}

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

fn main() {
    let dog = Dog { name: "Buddy".to_string() };
    let cat = Cat { name: "Whiskers".to_string() };

    animal_speak(&dog);
    animal_speak(&cat);
}

    在上面的示例代码中，我们定义了一个Animal特征，它有一个speak方法。Dog和Cat结构体都实现了Animal特征，因此它们都可以被视为动物，并且具有speak方法。通过动态分发（使用&dyn Animal），我们可以编写接受任何实现了Animal特征的类型的函数，比如这里的animal_speak。

多态

    在Rust中，多态通常是通过Trait和泛型来实现的。多态允许我们编写灵活的代码，这些代码可以处理多种不同的类型，只要这些类型满足某些共同的接口或约束。Trait定义了类型必须实现的方法集合，从而允许我们编写与这些类型交互的通用代码。在上面介绍继承的示例代码中，我们已经看到了基于Trait的多态实现，故这里就不再赘述了。

    接下来，我们使用泛型来实现多态。泛型允许我们编写可以处理多种类型的函数或结构体，而不需要在编译时指定具体的类型。

fn find_max<T: Ord>(slice: &[T]) -> &T {
    let mut max = &slice[0];
    for item in slice.iter() {
        if item > max {
            max = item;
        }
    }
    max
}

fn main() {
    let numbers = vec![66, 99, 100, 50];
    let max_number = *find_max(&numbers);
    println!("{}", max_number);

    let fruits = vec!["Lemon", "Apple", "Date"];
    let max_fruit = find_max(&fruits);
    println!("{}", max_fruit);
}

    在上面的示例代码中，我们定义了一个泛型函数find_max，它接受一个实现了Ord特征（即可以排序的类型）的切片，并返回其中的最大值。由于Ord特征是由多种标准库类型实现的，我们可以使用这个函数来找出整数切片中的最大值，或字符串切片中基于字典序的最大字符串。

总结

    虽然Rust并不是传统意义上的面向对象编程语言，但它提供了丰富的工具来模拟和实现面向对象的概念。通过结构体与方法的组合、Trait与接口的定义、泛型的使用，Rust可以让我们以面向对象的方式来组织和封装代码，实现高内聚、低耦合的代码结构。正是这种灵活性，使得Rust能够适应各种复杂的编程需求，成为系统级编程的理想选择。