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类型转换

Rust 是类型安全的语言，因此在 Rust 中做类型转换不是一件简单的事，这一章节我们将对 Rust 中的类型转换进行详尽讲解。

as转换

先来看一段代码：

fn main() {
  let a: i32 = 10;
  let b: u16 = 100;

  if a < b {
    println!("Ten is less than one hundred.");
  }
}

能跟着这本书一直学习到这里，说明你对 Rust 已经有了一定的理解，那么一眼就能看出这段代码注定会报错，因为 a 和 b 拥有不同的类型，Rust 不允许两种不同的类型进行比较。

解决办法很简单，只要把 b 转换成 i32 类型即可，Rust 中内置了一些基本类型之间的转换，这里使用 as 操作符来完成： if a < (b as i32) {...}。那么为什么不把 a 转换成 u16 类型呢？

因为每个类型能表达的数据范围不同，如果把范围较大的类型转换成较小的类型，会造成错误，因此我们需要把范围较小的类型转换成较大的类型，来避免这些问题的发生。

使用类型转换需要小心，因为如果执行以下操作 300_i32 as i8，你将获得 44 这个值，而不是 300，因为 i8 类型能表达的的最大值为 2^7 - 1，使用以下代码可以查看 i8 的最大值：

let a = i8::MAX;
println!("{}",a);

下面列出了常用的转换形式：

fn main() {
   let a = 3.1 as i8;
   let b = 100_i8 as i32;
   let c = 'a' as u8; // 将字符'a'转换为整数，97

   println!("{},{},{}",a,b,c)
}

内存地址转换为指针

let mut values: [i32; 2] = [1, 2];
let p1: *mut i32 = values.as_mut_ptr();
let first_address = p1 as usize; // 将p1内存地址转换为一个整数
let second_address = first_address + 4; // 4 == std::mem::size_of::<i32>()，i32类型占用4个字节，因此将内存地址 + 4
let p2 = second_address as *mut i32; // 访问该地址指向的下一个整数p2
unsafe {
    *p2 += 1;
}
assert_eq!(values[1], 3);

强制类型转换的边角知识

1. 数组切片原生指针之间的转换，不会改变数组占用的内存字节数，尽管数组元素的类型发生了改变：

fn main() {
    let a: *const [u16] = &[1, 2, 3, 4, 5];
    let b = a as *const [u8];
    assert_eq!(std::mem::size_of_val(&a), std::mem::size_of_val(&b))
}

2. 转换不具有传递性 就算 e as U1 as U2 是合法的，也不能说明 e as U2 是合法的（e 不能直接转换成 U2）。

TryInto转换

在一些场景中，使用 as 关键字会有比较大的限制。如果你想要在类型转换上拥有完全的控制而不依赖内置的转换，例如处理转换错误，那么可以使用 TryInto ：

use std::convert::TryInto;
 
fn main() {
   let a: u8 = 10;
   let b: u16 = 1500;
 
   let b_: u8 = b.try_into().unwrap();
 
   if a < b_ {
     println!("Ten is less than one hundred.");
   }
}

上面代码中引入了 std::convert::TryInto 特征，但是却没有使用它，可能有些同学会为此困惑，主要原因在于如果你要使用一个特征的方法，那么你需要引入该特征到当前的作用域中，我们在上面用到了 try_into 方法，因此需要引入对应的特征。但是 Rust 又提供了一个非常便利的办法，把最常用的标准库中的特征通过std::prelude模块提前引入到当前作用域中，其中包括了 std::convert::TryInto，你可以尝试删除第一行的代码 use ...，看看是否会报错。

try_into 会尝试进行一次转换，如果失败，则会返回一个 Result，然后你可以进行相应的错误处理，但是因为我们的例子只是为了快速测试，因此使用了 unwrap 方法，该方法在发现错误时，会直接调用 panic 导致程序的崩溃退出，在实际项目中，请不要这么使用，具体见panic部分。

最主要的是 try_into 转换会捕获大类型向小类型转换时导致的溢出错误：

fn main() {
    let b: i16 = 1500;

    let b_: u8 = match b.try_into() {
        Ok(b1) => b1,
        Err(e) => {
            println!("{:?}", e.to_string());
            0
        }
    };
}

运行后输出如下 "out of range integral type conversion attempted"，在这里我们程序捕获了错误，编译器告诉我们类型范围超出的转换是不被允许的，因为我们试图把 1500_i16 转换为 u8 类型，后者明显不足以承载这么大的值。

通用类型转换

虽然 as 和 TryInto 很强大，但是只能应用在数值类型上，可是 Rust 有如此多的类型，想要为这些类型实现转换，我们需要另谋出路，先来看看在一个笨办法，将一个结构体转换为另外一个结构体：

struct Foo {
    x: u32,
    y: u16,
}

struct Bar {
    a: u32,
    b: u16,
}

fn reinterpret(foo: Foo) -> Bar {
    let Foo { x, y } = foo;
    Bar { a: x, b: y }
}

简单粗暴，但是从另外一个角度来看，也挺啰嗦的，好在 Rust 为我们提供了更通用的方式来完成这个目的。

强制类型转换

在某些情况下，类型是可以进行隐式强制转换的，虽然这些转换弱化了 Rust 的类型系统，但是它们的存在是为了让 Rust 在大多数场景可以工作(说白了，帮助用户省事)，而不是报各种类型上的编译错误。

首先，在匹配特征时，不会做任何强制转换(除了方法)。一个类型 T 可以强制转换为 U，不代表 impl T 可以强制转换为 impl U，例如下面的代码就无法通过编译检查：

trait Trait {}

fn foo<X: Trait>(t: X) {}

impl<'a> Trait for &'a i32 {}

fn main() {
    let t: &mut i32 = &mut 0;
    foo(t);
}

报错如下：

error[E0277]: the trait bound `&mut i32: Trait` is not satisfied
--> src/main.rs:9:9
|
9 |     foo(t);
|         ^ the trait `Trait` is not implemented for `&mut i32`
|
= help: the following implementations were found:
        <&'a i32 as Trait>
= note: `Trait` is implemented for `&i32`, but not for `&mut i32`

&i32 实现了特征 Trait， &mut i32 可以转换为 &i32，但是 &mut i32 依然无法作为 Trait 来使用。

点操作符

方法调用的点操作符看起来简单，实际上非常不简单，它在调用时，会发生很多魔法般的类型转换，例如：自动引用、自动解引用，强制类型转换直到类型能匹配等。

假设有一个方法 foo，它有一个接收器(接收器就是 self、&self、&mut self 参数)。如果调用 value.foo()，编译器在调用 foo 之前，需要决定到底使用哪个 Self 类型来调用。现在假设 value 拥有类型 T。

再进一步，我们使用完全限定语法来进行准确的函数调用:

1. 首先，编译器检查它是否可以直接调用 T::foo(value)，称之为值方法调用
2. 如果上一步调用无法完成(例如方法类型错误或者特征没有针对 Self 进行实现，上文提到过特征不能进行强制转换)，那么编译器会尝试增加自动引用，例如会尝试以下调用： <&T>::foo(value) 和 <&mut T>::foo(value)，称之为引用方法调用
3. 若上面两个方法依然不工作，编译器会试着解引用 T ，然后再进行尝试。这里使用了 Deref 特征 —— 若 T: Deref<Target = U> (T 可以被解引用为 U)，那么编译器会使用 U 类型进行尝试，称之为解引用方法调用
4. 若 T 不能被解引用，且 T 是一个定长类型(在编译器类型长度是已知的)，那么编译器也会尝试将 T 从定长类型转为不定长类型，例如将 [i32; 2] 转为 [i32]
5. 若还是不行，那...没有那了，最后编译器大喊一声：汝欺我甚，不干了！

下面我们来用一个例子来解释上面的方法查找算法:

let array: Rc<Box<[T; 3]>> = ...;
let first_entry = array[0];

array 数组的底层数据隐藏在了重重封锁之后，那么编译器如何使用 array[0] 这种数组原生访问语法通过重重封锁，准确的访问到数组中的第一个元素？

1. 首先， array[0] 只是Index特征的语法糖：编译器会将 array[0] 转换为 array.index(0) 调用，当然在调用之前，编译器会先检查 array 是否实现了 Index 特征。
2. 接着，编译器检查 Rc<Box<[T; 3]>> 是否有否实现 Index 特征，结果是否，不仅如此，&Rc<Box<[T; 3]>> 与 &mut Rc<Box<[T; 3]>> 也没有实现。
3. 上面的都不能工作，编译器开始对 Rc<Box<[T; 3]>> 进行解引用，把它转变成 Box<[T; 3]>
4. 此时继续对 Box<[T; 3]> 进行上面的操作 ：Box<[T; 3]>， &Box<[T; 3]>，和 &mut Box<[T; 3]> 都没有实现 Index 特征，所以编译器开始对 Box<[T; 3]> 进行解引用，然后我们得到了 [T; 3]
5. [T; 3] 以及它的各种引用都没有实现 Index 索引(是不是很反直觉:D，在直觉中，数组都可以通过索引访问，实际上只有数组切片才可以!)，它也不能再进行解引用，因此编译器只能祭出最后的大杀器：将定长转为不定长，因此 [T; 3] 被转换成 [T]，也就是数组切片，它实现了 Index 特征，因此最终我们可以通过 index 方法访问到对应的元素。

过程看起来很复杂，但是也还好，挺好理解，如果你现在不能彻底理解，也不要紧，等以后对 Rust 理解更深了，同时需要深入理解类型转换时，再来细细品读本章。

再来看看以下更复杂的例子：

fn do_stuff<T: Clone>(value: &T) {
    let cloned = value.clone();
}

上面例子中 cloned 的类型是什么？首先编译器检查能不能进行值方法调用， value 的类型是 &T，同时 clone 方法的签名也是 &T ： fn clone(&T) -> T，因此可以进行值方法调用，再加上编译器知道了 T 实现了 Clone，因此 cloned 的类型是 T。

如果 T: Clone 的特征约束被移除呢？

fn do_stuff<T>(value: &T) {
    let cloned = value.clone();
}

首先，从直觉上来说，该方法会报错，因为 T 没有实现 Clone 特征，但是真实情况是什么呢？

我们先来推导一番。 首先通过值方法调用就不再可行，因为 T 没有实现 Clone 特征，也就无法调用 T 的 clone 方法。接着编译器尝试引用方法调用，此时 T 变成 &T，在这种情况下， clone 方法的签名如下： fn clone(&&T) -> &T，接着我们现在对 value 进行了引用。 编译器发现 &T 实现了 Clone 类型(所有的引用类型都可以被复制，因为其实就是复制一份地址)，因此可以可以推出 cloned 也是 &T 类型。

最终，我们复制出一份引用指针，这很合理，因为值类型 T 没有实现 Clone，只能去复制一个指针了。

下面的例子也是自动引用生效的地方：

#[derive(Clone)]
struct Container<T>(Arc<T>);

fn clone_containers<T>(foo: &Container<i32>, bar: &Container<T>) {
    let foo_cloned = foo.clone();
    let bar_cloned = bar.clone();
}

推断下上面的 foo_cloned 和 bar_cloned 是什么类型？提示: 关键在 Container 的泛型参数，一个是 i32 的具体类型，一个是泛型类型，其中 i32 实现了 Clone，但是 T 并没有。

首先要复习一下复杂类型派生 Clone 的规则：一个复杂类型能否派生 Clone，需要它内部的所有子类型都能进行 Clone。因此 Container<T>(Arc<T>) 是否实现 Clone 的关键在于 T 类型是否实现了 Clone 特征。

上面代码中，Container<i32> 实现了 Clone 特征，因此编译器可以直接进行值方法调用，此时相当于直接调用 foo.clone，其中 clone 的函数签名是 fn clone(&T) -> T，由此可以看出 foo_cloned 的类型是 Container<i32>。

然而，bar_cloned 的类型却是 &Container<T>，这个不合理啊，明明我们为 Container<T> 派生了 Clone 特征，因此它也应该是 Container<T> 类型才对。万事皆有因，我们先来看下 derive 宏最终生成的代码大概是啥样的：

impl<T> Clone for Container<T> where T: Clone {
    fn clone(&self) -> Self {
        Self(Arc::clone(&self.0))
    }
}

从上面代码可以看出，派生 Clone 能实现的根本是 T 实现了Clone特征：where T: Clone， 因此 Container<T> 就没有实现 Clone 特征。

编译器接着会去尝试引用方法调用，此时 &Container<T> 引用实现了 Clone，最终可以得出 bar_cloned 的类型是 &Container<T>。

当然，也可以为 Container<T> 手动实现 Clone 特征：

impl<T> Clone for Container<T> {
    fn clone(&self) -> Self {
        Self(Arc::clone(&self.0))
    }
}

此时，编译器首次尝试值方法调用即可通过，因此 bar_cloned 的类型变成 Container<T>。

这一块儿内容真的挺复杂，每一个坚持看完的读者都是真正的勇士，我也是：为了写好这块儿内容，作者足足花了 4 个小时！

变形记(Transmutes)

前方危险，敬请绕行！

类型系统，你让开！我要自己转换这些类型，不成功便成仁！虽然本书大多是关于安全的内容，我还是希望你能仔细考虑避免使用本章讲到的内容。这是你在 Rust 中所能做到的真真正正、彻彻底底、最最可怕的非安全行为，在这里，所有的保护机制都形同虚设。

先让你看看深渊长什么样，开开眼，然后你再决定是否深入： mem::transmute<T, U> 将类型 T 直接转成类型 U，唯一的要求就是，这两个类型占用同样大小的字节数！我的天，这也算限制？这简直就是无底线的转换好吧？看看会导致什么问题：

1. 首先也是最重要的，转换后创建一个任意类型的实例会造成无法想象的混乱，而且根本无法预测。不要把 3 转换成 bool 类型，就算你根本不会去使用该 bool 类型，也不要去这样转换
2. 变形后会有一个重载的返回类型，即使你没有指定返回类型，为了满足类型推导的需求，依然会产生千奇百怪的类型
3. 将 & 变形为 &mut 是未定义的行为
   • 这种转换永远都是未定义的
   • 不，你不能这么做
   • 不要多想，你没有那种幸运
4. 变形为一个未指定生命周期的引用会导致无界生命周期
5. 在复合类型之间互相变换时，你需要保证它们的排列布局是一模一样的！一旦不一样，那么字段就会得到不可预期的值，这也是未定义的行为，至于你会不会因此愤怒， WHO CARES ，你都用了变形了，老兄！

对于第5条，你该如何知道内存的排列布局是一样的呢？对于 repr(C) 类型和 repr(transparent) 类型来说，它们的布局是有着精确定义的。但是对于你自己的"普通却自信"的 Rust 类型 repr(Rust) 来说，它可不是有着精确定义的。甚至同一个泛型类型的不同实例都可以有不同的内存布局。 Vec<i32> 和 Vec<u32> 它们的字段可能有着相同的顺序，也可能没有。对于数据排列布局来说，什么能保证，什么不能保证目前还在 Rust 开发组的工作任务中呢。

你以为你之前凝视的是深渊吗？不，你凝视的只是深渊的大门。 mem::transmute_copy<T, U> 才是真正的深渊，它比之前的还要更加危险和不安全。它从 T 类型中拷贝出 U 类型所需的字节数，然后转换成 U。 mem::transmute 尚有大小检查，能保证两个数据的内存大小一致，现在这哥们干脆连这个也丢了，只不过 U 的尺寸若是比 T 大，会是一个未定义行为。

当然，你也可以通过原生指针转换和 unions (todo!)获得所有的这些功能，但是你将无法获得任何编译提示或者检查。原生指针转换和 unions 也不是魔法，无法逃避上面说的规则。