# 泛型Generics Go 语言在 2022 年，就要正式引入泛型，被视为在 1.0 版本后，语言特性发展迈出的一大步，为什么泛型这么重要？到底什么是泛型？Rust 的泛型有几种？ 本章将一一为你讲解。 我们在编程中，经常有这样的需求：用同一功能的函数处理不同类型的数据，例如两个数的加法，无论是整数还是浮点数，甚至是自定义类型，都能进行支持。在不支持泛型的编程语言中，通常需要为每一种类型编写一个函数： ```rust fn add_i8(a:i8, b:i8) -> i8 { a + b } fn add_i32(a:i32, b:i32) -> i32 { a + b } fn add_f64(a:f64, b:f64) -> f64 { a + b } fn main() { println!("add i8: {}", add_i8(2i8, 3i8)); println!("add i32: {}", add_i32(20, 30)); println!("add f64: {}", add_f64(1.23, 1.23)); } ``` 上述代码可以正常运行，但是很啰嗦，如果你要支持更多的类型，那么会更繁琐。程序员或多或少都有强迫症，一个好程序员的公认特征就是 —— 懒，这么勤快的写一大堆代码，显然不是咱们的优良传统，是不？ 在开始讲解 Rust 的泛型之前，先来看看什么是多态。 在编程的时候，我们经常利用多态。通俗的讲，多态就是好比坦克的炮管，既可以发射普通弹药，也可以发射制导炮弹（导弹），也可以发射贫铀穿甲弹，甚至发射子母弹，没有必要为每一种炮弹都在坦克上分别安装一个专用炮管，即使生产商愿意，炮手也不愿意，累死人啊。所以在编程开发中，我们也需要这样“通用的炮管”，这个“通用的炮管”就是多态。 实际上，泛型就是一种多态。泛型主要目的是为程序员提供编程的便利，减少代码的臃肿，同时可以极大地丰富语言本身的表达能力，为程序员提供了一个合适的炮管。想想，一个函数，可以代替几十个，甚至数百个函数，是一件多么让人兴奋的事情： ```rust fn add(a:T, b:T) -> T { a + b } fn main() { println!("add i8: {}", add(2i8, 3i8)); println!("add i32: {}", add(20, 30)); println!("add f64: {}", add(1.23, 1.23)); } ``` 将之前的代码改成上面这样，就是 Rust 泛型的初印象，这段代码虽然很简洁，但是并不能编译通过，我们会在后面进行详细讲解，现在只要对泛型有个大概的印象即可。 ## 泛型详解 上面代码的 `T` 就是**泛型参数**，实际上在 Rust 中，泛型参数的名称你可以任意起，但是出于惯例，我们都用 `T` ( `T` 是 `type` 的首字母)来作为首选，这个名称越短越好，除非需要表达含义，否则一个字母是最完美的。 使用泛型参数，有一个先决条件，必需在使用前对其进行声明： ```rust fn largest(list: &[T]) -> T { ``` 该泛型函数的作用是从列表中找出最大的值，其中列表中的元素类型为T。首先 `largest` 对泛型参数 `T` 进行了声明，然后才在函数参数中进行使用该泛型参数 `list: &[T]` (还记得 `&[T]` 类型吧？这是[数组切片](../compound-type/array#数组切片))。 总之，我们可以这样理解这个函数定义：函数 `largest` 有泛型类型 `T`，它有个参数 `list`，其类型是元素为 `T` 的数组切片，最后，该函数返回值的类型也是 `T`。 具体的泛型函数实现如下： ```rust fn largest(list: &[T]) -> T { let mut largest = list[0]; for &item in list.iter() { if item > largest { largest = item; } } largest } fn main() { let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65]; let result = largest(&number_list); println!("The largest number is {}", result); let char_list = vec!['y', 'm', 'a', 'q']; let result = largest(&char_list); println!("The largest char is {}", result); } ``` 运行后报错： ```console error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `T` // `>`操作符不能用于类型`T` --> src/main.rs:5:17 | 5 | if item > largest { | ---- ^ ------- T | | | T | help: consider restricting type parameter `T` // 考虑对T进行类型上的限制 : | 1 | fn largest(list: &[T]) -> T { | ++++++++++++++++++++++ ``` 因为T可以是任何类型，但不是所有的类型都能进行比较，因此上面的错误中，编译器建议我们给 `T` 添加一个类型限制：使用 `std::cmp::PartialOrd` 特征（Trait）对T进行限制，特征在下一节会详细介绍，现在你只要理解，该特征的目的就是让**类型实现可比较的功能**。 还记得我们一开始的 `add` 泛型函数吗？如果你运行它，会得到以下的报错： ```console error[E0369]: cannot add `T` to `T` // 无法将 `T` 类型跟 `T` 类型进行相加 --> src/main.rs:2:7 | 2 | a + b | - ^ - T | | | T | help: consider restricting type parameter `T` | 1 | fn add>(a:T, b:T) -> T { | +++++++++++++++++++++++++++ ``` 同样的，不是所有 `T` 类型都能进行相加操作，因此我们需要用 `std::ops::Add` 对 `T` 进行限制： ```rust fn add>(a:T, b:T) -> T { a + b } ``` 进行如上修改后，就可以正常运行。 ## 结构体中使用泛型 结构体中的字段类型也可以用泛型来定义，下面代码定义了一个坐标点 `Point`，它可以存放任何类型的坐标值： ```rust struct Point { x: T, y: T, } fn main() { let integer = Point { x: 5, y: 10 }; let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 }; } ``` 这里有两点需要特别的注意： - **提前声明**，跟泛型函数定义类似，首先我们在使用泛型参数之前必需要进行声明 `Point`，接着就可以在结构体的字段类型中使用 `T` 来替代具体的类型 - **x和y是相同的类型** 第二点非常重要，如果使用不同的类型，那么它会导致下面代码的报错： ```rust struct Point { x: T, y: T, } fn main() { let p = Point{x: 1, y :1.1}; } ``` 错误如下： ```console error[E0308]: mismatched types //类型不匹配 --> src/main.rs:7:28 | 7 | let p = Point{x: 1, y :1.1}; | ^^^ expected integer, found floating-point number //期望y是整数，但是却是浮点数 ``` 当把 `1` 赋值给 `x` 时，变量 `p` 的 `T` 类型就被确定为整数类型，因此 `y` 也必须是整数类型，但是我们却给它赋予了浮点数，因此导致报错。 如果想让 `x` 和 `y` 即能类型相同，又能类型不同，需要使用不同的泛型参数： ```rust struct Point { x: T, y: U, } fn main() { let p = Point{x: 1, y :1.1}; } ``` 切记，所有的泛型参数都要提前声明：`Point` ! 但是如果你的结构体变成这鬼样：`struct Woo`，那么你需要考虑拆分这个结构体，减少泛型参数的个数和代码复杂度。 ## 枚举中使用泛型 提到枚举类型，`Option` 永远是第一个应该被想起来的，在之前的章节中，它也多次出现： ```rust enum Option { Some(T), None, } ``` `Option` 是一个拥有泛型 `T` 的枚举类型，它第一个成员是 `Some(T)`，存放了一个类型为 `T` 的值。得益于泛型的引入，我们可以在任何一个需要返回值的函数中，去使用 `Option` 枚举类型来做为返回值，用于返回一个任意类型的值 `Some(T)`，或者没有值 `None`。 对于枚举而言，卧龙凤雏永远是绕不过去的存在：如果是 `Option` 是卧龙，那么 `Result` 就一定是凤雏，得两者可得天下： ```rust enum Result { Ok(T), Err(E), } ``` 这个枚举和 `Option` 一样，主要用于函数返回值，与 `Option` 用于值的存在与否不同，`Result `关注的主要是值的正确性。 如果函数正常运行，则最后返回一个 `Ok(T)`，`T` 是函数具体的返回值类型，如果函数异常运行，则返回一个 `Err(E)`，`E` 是错误类型。例如打开一个文件：如果成功打开文件，则返回 `Ok(std::fs::File)`，因此 `T` 对应的是 `std::fs::File` 类型；而当打开文件时出现问题时，返回 `Err(std::io::Error)`，`E` 对应的就是 `std::io::Error` 类型。 ## 方法中使用泛型 上一章中，我们讲到什么是方法以及如何在结构体和枚举上定义方法。方法上也可以使用泛型： ```rust struct Point { x: T, y: T, } impl Point { fn x(&self) -> &T { &self.x } } fn main() { let p = Point { x: 5, y: 10 }; println!("p.x = {}", p.x()); } ``` 使用泛型参数前，依然需要提前声明：`impl`，只有提前声明了，我们才能在`Point`中使用它，这样 Rust 就知道 `Point` 的尖括号中的类型是泛型而不是具体类型。需要注意的是，这里的 `Point` 不再是泛型声明，而是一个完整的结构体类型，因为我们定义的结构体就是 `Point` 而不再是 `Point`。 除了结构体中的泛型参数，我们还能在该结构体的方法中定义额外的泛型参数，就跟泛型函数一样： ```rust struct Point { x: T, y: U, } impl Point { fn mixup(self, other: Point) -> Point { Point { x: self.x, y: other.y, } } } fn main() { let p1 = Point { x: 5, y: 10.4 }; let p2 = Point { x: "Hello", y: 'c'}; let p3 = p1.mixup(p2); println!("p3.x = {}, p3.y = {}", p3.x, p3.y); } ``` 这个例子中，`T,U` 是定义在结构体 `Point` 上的泛型参数，`V,W` 是单独定义在方法 `mixup` 上的泛型参数，它们并不冲突，说白了，你可以理解为，一个是结构体泛型，一个是函数泛型。 #### 为具体的泛型类型实现方法 对于 `Point` 类型，你不仅能定义基于 `T` 的方法，还能针对特定的具体类型，进行方法定义： ```rust impl Point { fn distance_from_origin(&self) -> f32 { (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt() } } ``` 这段代码意味着 `Point` 类型会有一个方法 `distance_from_origin`，而其他 `T` 不是 `f32` 类型的 `Point `实例则没有定义此方法。这个方法计算点实例与坐标`(0.0, 0.0)` 之间的距离，并使用了只能用于浮点型的数学运算符。 这样我们就能针对特定的泛型类型实现某个特定的方法，对于其它泛型类型则没有定义该方法。 ## const 泛型（Rust 1.51 版本引入的重要特性） 在之前的泛型中，可以抽象为一句话：针对类型实现的泛型，所有的泛型都是为了抽象不同的类型，那有没有针对值的泛型？可能很多同学感觉很难理解，值怎么使用泛型？不急，我们先从数组讲起。 在[数组](../compound-type/array.md)那节，有提到过很重要的一点：`[i32; 2]` 和 `[i32; 3]` 是不同的数组类型，比如下面的代码： ```rust fn display_array(arr: [i32; 3]) { println!("{:?}", arr); } fn main() { let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3]; display_array(arr); let arr: [i32;2] = [1,2]; display_array(arr); } ``` 运行后报错： ```console error[E0308]: mismatched types // 类型不匹配 --> src/main.rs:10:19 | 10 | display_array(arr); | ^^^ expected an array with a fixed size of 3 elements, found one with 2 elements // 期望一个长度为3的数组，却发现一个长度为2的 ``` 结合代码和报错，可以很清楚的看出，`[i32; 3]` 和 `[i32; 2]` 确实是两个完全不同的类型，因此无法用同一个函数调用。 首先，让我们修改代码，让 `display_array` 能打印任意长度的 `i32` 数组： ```rust fn display_array(arr: &[i32]) { println!("{:?}", arr); } fn main() { let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3]; display_array(&arr); let arr: [i32;2] = [1,2]; display_array(&arr); } ``` 很简单，只要使用数组切片，然后传入 `arr` 的不可变引用即可。 接着，将 `i32` 改成所有类型的数组： ```rust fn display_array(arr: &[T]) { println!("{:?}", arr); } fn main() { let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3]; display_array(&arr); let arr: [i32;2] = [1,2]; display_array(&arr); } ``` 也不难，唯一要注意的是需要对T加一个限制 `std::fmt::Debug`，该限制表明 `T` 可以用在 `println!("{:?}", arr)` 中，因为 `{:?}` 形式的格式化输出需要 `arr` 实现该特征。 通过引用，我们可以很轻松的解决处理任何类型数组的问题，但是如果在某些场景下引用不适宜用或者干脆不能用呢？你们知道为什么以前 Rust 的一些数组库，在使用的时候都限定长度不超过32吗？因为它们会为每个长度都单独实现一个函数，简直。。。毫无人性。难道没有什么办法可以解决这个问题吗？ 好在，现在咱们有了 const 泛型，也就是针对值的泛型，正好可以用于处理数组长度的问题： ```rust fn display_array(arr: [T; N]) { println!("{:?}", arr); } fn main() { let arr: [i32; 3] = [1, 2, 3]; display_array(arr); let arr: [i32; 2] = [1, 2]; display_array(arr); } ``` 如上所示，我们定义了一个类型为 `[T; N]` 的数组，其中 `T` 是一个基于类型的泛型参数，这个和之前讲的泛型没有区别，而重点在于 `N` 这个泛型参数，它是一个基于值的泛型参数！因为它用来替代的是数组的长度。 `N` 就是 const 泛型，定义的语法是 `const N: usize`，表示 const 泛型 `N` ，它基于的值类型是 `usize`。 在泛型参数之前，Rust 完全不适合复杂矩阵的运算，自从有了 const 泛型，一切即将改变。 #### const 泛型表达式 假设我们某段代码需要在内存很小的平台上工作，因此需要限制函数参数占用的内存大小，此时就可以使用 const 泛型表达式来实现： ```rust // 目前只能在nightly版本下使用 #![allow(incomplete_features)] #![feature(generic_const_exprs)] fn something(val: T) where Assert<{ core::mem::size_of::() < 768 }>: IsTrue, // ^-----------------------------^ 这里是一个 const 表达式，换成其它的 const 表达式也可以 { // } fn main() { something([0u8; 0]); // ok something([0u8; 512]); // ok something([0u8; 1024]); // 编译错误，数组长度是1024字节，超过了768字节的参数长度限制 } // --- pub enum Assert { // } pub trait IsTrue { // } impl IsTrue for Assert { // } ``` #### const fn @todo ## 泛型的性能 在 Rust 中泛型是零成本的抽象，意味着你在使用泛型时，完全不用担心性能上的问题。 但是任何选择都是权衡得失的，既然我们获得了性能上的巨大优势，那么又失去了什么呢？Rust 是在编译期为泛型对应的多个类型，生成各自的代码，因此损失了编译速度和增大了最终生成文件的大小。 具体来说： Rust 通过在编译时进行泛型代码的 **单态化**（*monomorphization*）来保证效率。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。 编译器所做的工作正好与我们创建泛型函数的步骤相反，编译器寻找所有泛型代码被调用的位置并针对具体类型生成代码。 让我们看看一个使用标准库中 `Option` 枚举的例子： ```rust let integer = Some(5); let float = Some(5.0); ``` 当 Rust 编译这些代码的时候，它会进行单态化。编译器会读取传递给 `Option` 的值并发现有两种 `Option`：一种对应 `i32` 另一种对应 `f64`。为此，它会将泛型定义 `Option` 展开为 `Option_i32` 和 `Option_f64`，接着将泛型定义替换为这两个具体的定义。 编译器生成的单态化版本的代码看起来像这样： ```rust enum Option_i32 { Some(i32), None, } enum Option_f64 { Some(f64), None, } fn main() { let integer = Option_i32::Some(5); let float = Option_f64::Some(5.0); } ``` 我们可以使用泛型来编写不重复的代码，而 Rust 将会为每一个实例编译其特定类型的代码。这意味着在使用泛型时没有运行时开销；当代码运行，它的执行效率就跟好像手写每个具体定义的重复代码一样。这个单态化过程正是 Rust 泛型在运行时极其高效的原因。