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## 面向对象语言的特征

> [ch18-01-what-is-oo.md](https://github.com/rust-lang/book/blob/main/src/ch18-01-what-is-oo.md)
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> commit 398d6f48d2e6b7b15efd51c4541d446e89de3892

关于一门语言必须具备哪些特征才能被视为面向对象，目前在编程社区中并没有共识。Rust 受到了许多编程范式的影响，包括面向对象编程（OOP）；例如，在第 13 章中，我们探讨了来自函数式编程的特性。可以说，面向对象的语言共有一些共同的特征，即对象、封装和继承。我们将会讨论这些特征分别是什么，以及 Rust 是否支持它们。

### 对象包含数据和行为

由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides（Addison-Wesley Professional, 1994）编写的书 *Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software* ，通称 *The Gang of Four* (“四人帮”)，是一本面向对象设计模式的目录。它这样定义面向对象编程：

> Object-oriented programs are made up of objects. An *object* packages both
> data and the procedures that operate on that data. The procedures are
> typically called *methods* or *operations*.
>
> 面向对象的程序由对象组成。一个 **对象** 包含数据和操作这些数据的过程。这些过程通常被称为 **方法** 或 **操作**。

在这个定义下，Rust 是面向对象的：结构体和枚举包含数据而 `impl` 块提供了在结构体和枚举之上的方法。虽然带有方法的结构体和枚举并不被 **称为** 对象，但是它们提供了与对象相同的功能，参考 *The Gang of Four* 中对象的定义。

### 封装隐藏了实现细节

另一个通常与面向对象编程关联的概念是 **封装**（*encapsulation*）：一个对象的实现细节对使用该对象的代码不可访问。因此，对象交互的唯一方式是通过其公共 API；使用对象的代码不应能直接触及对象的内部并改变数据或行为。这使得程序员能够更改和重构一个对象的内部实现，而无需改变使用该对象的代码。

我们在第 7 章讨论了如何控制封装：我们可以使用 `pub` 关键字来决定代码中的哪些模块、类型、函数和方法是公有的，而默认情况下其他所有内容都是私有的。例如，我们可以定义一个 `AveragedCollection` 结构体，其中有一个存有 `Vec<i32>` 的字段。该结构体还可以有一个字段存储其平均值，以便需要时取用。示例 17-1 给出了 `AveragedCollection` 结构体的定义：

<span class="filename">文件名：src/lib.rs</span>

```rust,noplayground
{{#rustdoc_include ../listings/ch18-oop/listing-18-01/src/lib.rs}}
```

<span class="caption">示例 17-1: `AveragedCollection` 结构体维护了一个整型列表及其所有元素的平均值。</span>

该结构体被标记为 `pub`，这样其他代码就可以使用它，但结构体内的字段保持私有。这在这种情况下很重要，因为我们想确保每当列表中添加或删除值时，平均值也会更新。我们通过实现结构体上的 `add`、`remove` 和 `average` 方法来做到这一点，如示例 17-2 所示：

<span class="filename">文件名：src/lib.rs</span>

```rust,noplayground
{{#rustdoc_include ../listings/ch18-oop/listing-18-02/src/lib.rs:here}}
```

<span class="caption">示例 17-2: 在 `AveragedCollection` 结构体上实现了 `add`、`remove` 和 `average` 公有方法</span>

公有方法 `add`、`remove` 和 `average` 是修改 `AveragedCollection` 实例的唯一方式。当使用 `add` 方法把一个元素加入到 `list` 或者使用 `remove` 方法来删除时，这些方法的实现同时会调用私有的 `update_average` 方法来更新 `average` 字段。

`list` 和 `average` 是私有的，所以没有其他方式来使得外部的代码直接向 `list` 增加或者删除元素，否则 `list` 改变时可能会导致 `average` 字段不同步。`average` 方法返回 `average` 字段的值，这使得外部的代码只能读取 `average` 而不能修改它。

因为我们已经封装了 `AveragedCollection` 的实现细节，改动数据结构等内部实现非常简单。例如，可以使用 `HashSet<i32>` 代替 `Vec<i32>` 作为 `list` 字段的类型。只要 `add`、`remove` 和 `average` 这些公有方法的签名保持不变，使用 `AveragedCollection` 的代码就无需改变。如果我们将 `list` 设为公有，情况就未必如此： `HashSet<i32>` 和 `Vec<i32>` 使用不同的方法增加或移除项，所以如果外部代码直接修改 `list` ，很可能需要进行更改。

如果封装被认为是面向对象语言所必要的特征，那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分控制 `pub` 的使用来封装实现细节。

## 继承，作为类型系统与代码共享

**继承**（*Inheritance*）是一种机制：一个对象可以从另一个对象的定义中继承元素，从而获得父对象的数据和行为，无需再次定义。

如果一种语言必须具有继承才能被认为是面向对象语言，那么 Rust 不是其中之一。Rust 不支持定义一个结构体时继承父结构体的字段和方法，除非使用宏。

然而，如果您习惯于在编程过程中使用继承，那么根据运用继承的原因，Rust 提供了其他解决方案。

选择继承有两个主要的原因。其一是代码复用：您可以为一种类型实现特定的行为，继承可将其复用到不同的类型上。在 Rust 代码中可以使用默认 trait 方法实现来进行有限的代码复用，就像示例 10-14 中在 `Summary` trait 上增加的 `summarize` 方法的默认实现。任何实现了 `Summary` trait 的类型都可以使用 `summarize` 方法而无须进一步实现。这类似于父类有一个方法的实现，继承的子类也拥有这个方法的实现。当实现 `Summary` trait 时也可以选择覆盖 `summarize` 的默认实现，这类似于子类覆盖从父类继承方法的实现。

其二与类型系统有关：子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 **多态**（*polymorphism*）：如果多个对象共享某些特征，可以在运行时将它们互相替代。

> 多态（Polymorphism）
>
> 对很多人来说，多态性与继承同义。但它实际上是一个更广义的概念，指的是可以处理多种类型数据的代码。对继承而言，这些类型通常是子类。
> Rust 使用泛型来抽象不同可能的类型，并通过 trait bounds 来约束这些类型所必须提供的内容。这有时被称为 *bounded parametric polymorphism*。

作为一种语言设计的解决方案，继承在许多新的编程语言中逐渐不被青睐，因为它经常有分享过多代码的风险。子类不应总是共享父类的所有特征，但是继承始终如此。它还引入了在子类上调用方法的可能性，这些方法可能没有意义，或因为方法不适用于子类而导致错误。此外，一些语言只允许单一继承（意味着子类只能从一个类继承），进一步限制了程序设计的灵活性。

出于这些原因，Rust 使用 trait 对象而非继承。接下来我们会讨论 Rust 如何使用 trait 对象实现多态性。