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## 面向对象语言的特征

> [ch17-01-what-is-oo.md](https://github.com/rust-lang/book/blob/master/src/ch17-01-what-is-oo.md)
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> commit 34caca254c3e08ff9fe3ad985007f45e92577c03

关于一个语言被称为面向对象所需的功能，在编程社区内并未达成一致意见。Rust 被很多不同的编程范式影响，包括面向对象编程；比如第十三章提到了来自函数式编程的特性。面向对象编程语言所共享的一些特性往往是对象、封装和继承。让我们看一下这每一个概念的含义以及 Rust 是否支持他们。

### 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* 被俗称为 *The Gang of Four* (字面意思为“四人帮”)，它是面向对象编程模式的目录。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*.
>
> 面向对象的程序是由对象组成的。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，但是他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相关的方面是 **封装**（*encapsulation*）的思想：对象的实现细节不能被使用对象的代码获取到。所以唯一与对象交互的方式是通过对象提供的公有 API；使用对象的代码无法深入到对象内部并直接改变数据或者行为。封装使得改变和重构对象的内部时无需改变使用对象的代码。

就像我们在第七章讨论的那样：可以使用 `pub` 关键字来决定模块、类型、函数和方法是公有的，而默认情况下其他一切都是私有的。比如，我们可以定义一个包含一个 `i32` 类型 vector 的结构体 `AveragedCollection `。结构体也可以有一个字段，该字段保存了 vector 中所有值的平均值。这样，希望知道结构体中的 vector 的平均值的人可以随时获取它，而无需自己计算。换句话说，`AveragedCollection` 会为我们缓存平均值结果。示例 17-1 有 `AveragedCollection` 结构体的定义：

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

```rust
pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}
```

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

注意，结构体自身被标记为 `pub`，这样其他代码就可以使用这个结构体，但是在结构体内部的字段仍然是私有的。这是非常重要的，因为我们希望保证变量被增加到列表或者被从列表删除时，也会同时更新平均值。可以通过在结构体上实现 `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
# pub struct AveragedCollection {
#     list: Vec<i32>,
#     average: f64,
# }
impl AveragedCollection {
    pub fn add(&mut self, value: i32) {
        self.list.push(value);
        self.update_average();
    }

    pub fn remove(&mut self) -> Option<i32> {
        let result = self.list.pop();
        match result {
            Some(value) => {
                self.update_average();
                Some(value)
            },
            None => None,
        }
    }

    pub fn average(&self) -> f64 {
        self.average
    }

    fn update_average(&mut self) {
        let total: i32 = self.list.iter().sum();
        self.average = total as f64 / self.list.len() as f64;
    }
}
```

<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。

因为我们已经封装好了 `AveragedCollection` 的实现细节，将来可以轻松改变类似数据结构这些方面的内容。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` 公有函数的签名保持不变，使用 `AveragedCollection` 的代码就无需改变。相反如果使得 `list` 为公有，就未必都会如此了： `HashSet<i32>` 和 `Vec<i32>` 使用不同的方法增加或移除项，所以如果要想直接修改 `list` 的话，外部的代码可能不得不做出修改。

如果封装是一个语言被认为是面向对象语言所必要的方面的话，那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分使用 `pub` 与否可以封装其实现细节。

## 继承，作为类型系统与代码共享

**继承**（*Inheritance*）是一个很多编程语言都提供的机制，一个对象可以定义为继承另一个对象的定义，这使其可以获得父对象的数据和行为，而无需重新定义。

如果一个语言必须有继承才能被称为面向对象语言的话，那么 Rust 就不是面向对象的。无法定义一个结构体继承父结构体的成员和方法。然而，如果你过去常常在你的编程工具箱使用继承，根据你最初考虑继承的原因，Rust 也提供了其他的解决方案。

选择继承有两个主要的原因。第一个是为了重用代码：一旦为一个类型实现了特定行为，继承可以对一个不同的类型重用这个实现。相反 Rust 代码可以使用默认 trait 方法实现来进行共享，在示例 10-14 中我们见过在 `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，而通过继承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的方法实现。

第二个使用继承的原因与类型系统有关：表现为子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 **多态**（*polymorphism*），这意味着如果多种对象共享特定的属性，则可以相互替代使用。

> 多态（Polymorphism）
>
> 很多人将多态描述为继承的同义词。不过它是一个有关可以用于多种类型的代码的更广泛的概念。对于继承来说，这些类型通常是子类。
> Rust 则通过泛型来对不同的可能类型进行抽象，并通过 trait bounds 对这些类型所必须提供的内容施加约束。这有时被称为 *bounded parametric polymorphism*。

近来继承作为一种语言设计的解决方案在很多语言中失宠了，因为其时常带有共享多于所需的代码的风险。子类不应总是共享其父类的所有特征，但是继承却始终如此。如此会使程序设计更为不灵活，并引入无意义的子类方法调用，或由于方法实际并不适用于子类而造成错误的可能性。某些语言还只允许子类继承一个父类，进一步限制了程序设计的灵活性。

因为这些原因，Rust 选择了一个不同的途径，使用 trait 对象而不是继承。让我们看一下 Rust 中的 trait 对象是如何实现多态的。