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Rust 中的方法与关联函数详解

article 2025/1/27 4:05:59

1. 方法（Methods）是什么？

在 Rust 里，方法和函数的定义方式很像：

都使用 fn 来声明。
都能拥有参数和返回值。
都包含一段在被调用时执行的代码逻辑。

不同点在于： 方法必须定义在某个具体类型（比如 struct、enum 或者在某个 trait 对象里）的上下文中。而且方法的第一个参数固定要写成 self（可以是 self、&self 或者 &mut self），用来代表调用该方法的具体实例。

让我们来看看一个简单示例。假设我们有一个 Rectangle 结构体：

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

如果你想为 Rectangle 实例添加一个计算面积的功能，我们可以在 impl（implementation）块中为它定义一个方法 area：

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

这里 impl Rectangle { ... } 表示这个块里的所有函数都与 Rectangle 类型相关联。
fn area(&self) -> u32 说明：这是一个方法，第一个参数是 &self，表示以不可变引用的形式访问当前调用该方法的 Rectangle 实例。
self.width 和 self.height 即代表该实例的字段。用 self 访问字段非常直观。

在 main 函数中，当我们创建一个矩形实例后，就可以使用方法语法来获取面积：

fn main() {
    let rect1 = Rectangle {
        width: 30,
        height: 50,
    };
    
    println!("rect1 的面积是：{}", rect1.area());
}

运行后，会输出：

rect1 的面积是：1500

2. 为什么要使用 &self 而不是 &Rectangle？

在我们将 area 从一个普通函数重构为一个方法时，你会注意到，函数签名由原本的

fn area(rectangle: &Rectangle) -> u32 { ... }

变为

fn area(&self) -> u32 { ... }

这是因为在 impl Rectangle 这个上下文中，Rust 给出了一个更具可读性的方式：让第一个参数自动变为 self，而 Self 则是当前实现块对应的类型别名。如果你需要修改实例的字段，你可以将第一个参数写为 &mut self；如果需要获取所有权并可能在方法内部把它“转化”成别的东西，则用 self。但这种把所有权转移给方法本身的做法很少见。

在大多数情况下，我们只是想读一下结构体数据而不改变它，这时使用 &self 最为常见，也能让调用者继续使用这个实例。

3. 同名字段与同名方法

如果你在 Rectangle 内也有一个字段叫做 width，同时还想定义一个方法也叫 width，这是合法的。比如：

impl Rectangle {
    fn width(&self) -> bool {
        self.width > 0
    }
}

在调用时：

rect.width （不带括号）访问的是字段 width 的数值。
rect.width() （带括号）调用的是同名方法，返回一个布尔值。

在很多语言中，如果你只想单纯地返回字段值，会把这种方法称为“getter”。Rust 并不会为你自动生成 getter，但你可以自行定义。这样一来，你可以只把字段设为私有，但对外公开这个只读方法，让外部安全地访问它。

4. 借用与解引用：为什么在调用方法时不需要写 & 或 *？

在 C/C++ 中，如果你要通过指针来调用成员函数，需要写 ->。或者，如果你手头是指针，还要显式地 (*object).method() 等。在 Rust 中则不需要这么麻烦，因为自动引用和解引用让你可以直接写 object.method()。

实际上，这些调用是一样的：

p1.distance(&p2);
(&p1).distance(&p2);

Rust 会根据方法签名（第一个参数是 &self、&mut self 还是 self）来自动推断是否需要帮你加 &、&mut 或者 *。这大大简化了调用方法时的语法。

5. 方法可以拥有多个参数

方法和函数在参数上并没什么区别，除了第一个参数是 self 以外，其他参数你可以自由添加。举例来说，为 Rectangle 再定义一个方法 can_hold，用来检查“当前矩形”是否可以完全容纳另一个矩形：

impl Rectangle {
    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

然后这样使用它：

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };
    let rect2 = Rectangle { width: 10, height: 40 };
    let rect3 = Rectangle { width: 60, height: 45 };

    println!("Can rect1 hold rect2? {}", rect1.can_hold(&rect2)); // true
    println!("Can rect1 hold rect3? {}", rect1.can_hold(&rect3)); // false
}

6. 关联函数（Associated Functions）

如果在 impl 块中定义的函数没有 self 参数，那它就不是方法（method），而是关联函数（associated function）。关联函数常被用来提供类似“构造函数”的功能。举个例子，如果你想快速构造一个“正方形”：

impl Rectangle {
    // 关联函数
    fn square(size: u32) -> Self {
        Self {
            width: size,
            height: size,
        }
    }
}

调用的时候，使用 :: 语法来调用关联函数：

fn main() {
    let sq = Rectangle::square(3);
    println!("正方形 sq: {:#?}", sq);
}

打印结果为：

正方形 sq: Rectangle {
    width: 3,
    height: 3
}

在标准库里，我们也经常看到这种关联函数，比如 String::from("Hello")。它不需要某个已存在的 String 实例，就可以直接调用，用来创建一个新的字符串。

7. 多个 impl 块

你可以为同一个类型写多个 impl 块，比如：

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

impl Rectangle {
    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

这与把它们写在同一个 impl 中没有本质差别。之所以 Rust 允许你分开写，是为了在某些情况下（比如涉及到泛型、trait 实现等）组织代码更灵活。

8. 总结

方法：必须定义在某个类型（如 struct）的 impl 块中，第一个参数是 self（可变或不可变）。方法往往用于描述该类型实例的某些行为，读或写其内部数据。
关联函数：在 impl 块里定义但不包含 self 参数的函数。常用于构造新实例或提供一些与实例无关的功能。
Rust 拥有自动引用和解引用特性，让我们可以简洁地使用 object.method() 来调用方法。
多个 impl 块可以并存，给代码的组织提供了很大灵活性。

通过为自定义类型定义方法，我们不仅能让代码更具可读性，把相关的行为放到同一个 impl 块中，也能充分利用所有权、借用等特性来保证内存安全和并发安全。希望这篇文章能帮你搞清楚在 Rust 中如何编写方法、何时使用 &self、&mut self、self，以及如何借助关联函数让代码更简洁优雅。

如果你还对 Rust 中的枚举（enum）或 trait 有兴趣，不妨继续阅读之后的章节，它们和 struct 一样，也是构建复杂逻辑的重要工具。

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