【Rust】结构体与枚举
结构体struct
基础用法
一个存储用户账号信息的结构体：
struct User {
active: bool,
username: String,
email: String,
sign_in_count: u64,
}
声明一个User的实例变量：
struct User {
active: bool,
username: String,
email: String,
sign_in_count: u64,
}
fn main() {
let user1 = User {
active: true,
username: String::from("someusername123"),
email: String::from("someone@example.com"),
sign_in_count: 1,
};
}
- 为了从结构体中获取某个特定的值，可以使用点号
- 如果结构体的实例是可变的，我们可以使用点号并为对应的字段赋值。
fn main() {
let mut user1 = User {
active: true,
username: String::from("someusername123"),
email: String::from("someone@example.com"),
sign_in_count: 1,
};
user1.email = String::from("anotheremail@example.com");
}
注意整个实例必须是可变的；Rust 并不允许只将某个字段标记为可变。另外需要注意同其他任何表达式一样，我们可以在函数体的最后一个表达式中构造一个结构体的新实例，来隐式地返回这个实例。
fn build_user(email: String, username: String) -> User {
User {
active: true,
username: username,
email: email,
sign_in_count: 1,
}
}
为函数参数起与结构体字段相同的名字是可以理解的，但是不得不重复 email 和 username 字段名称与变量有些啰嗦。如果结构体有更多字段，重复每个名称就更加烦人了。幸运的是，有一个方便的简写语法！
使用字段初始化简写语法
fn build_user(email: String, username: String) -> User {
User {
active: true,
username,
email,
sign_in_count: 1,
}
}
这里我们创建了一个新的 User 结构体实例，它有一个叫做 email 的字段。我们想要将 email 字段的值设置为 build_user 函数 email 参数的值。因为 email 字段与 email 参数有着相同的名称，则只需编写 email 而不是 email: email。
如何在 user2 中创建一个新 User 实例。我们为 email 设置了新的值，其他值则使用了上个实例中创建的 user1 中的同名值：
struct User {
active: bool,
username: String,
email: String,
sign_in_count: u64,
}
fn main() {
// --snip--
let user1 = User {
email: String::from("someone@example.com"),
username: String::from("someusername123"),
active: true,
sign_in_count: 1,
};
let user2 = User {
active: user1.active,
username: user1.username,
email: String::from("another@example.com"),
sign_in_count: user1.sign_in_count,
};
}
使用结构体更新语法，我们可以通过更少的代码来达到相同的效果，如下代码块所示。… 语法指定了剩余未显式设置值的字段应有与给定实例对应字段相同的值。
let user2 = User {
email: String::from("another@example.com"),
..user1
};
…user1 必须放在最后，以指定其余的字段应从 user1 的相应字段中获取其值，但我们可以选择以任何顺序为任意字段指定值，而不用考虑结构体定义中字段的顺序。
请注意，结构更新语法就像带有 = 的赋值，因为它移动了数据，需要考虑“移动”这个特性。在这个例子中，总体上说我们在创建 user2 后不能就再使用 user1 了，因为 user1 的 username 字段中的 String 被移到 user2 中。如果我们给 user2 的 email 和 username 都赋予新的 String 值，从而只使用 user1 的 active 和 sign_in_count 值，那么 user1 在创建 user2 后仍然有效。active 和 sign_in_count 的类型是实现 Copy trait 的类型，同样适用“克隆”特性。
使用没有命名字段的元组结构体来创建不同的类型
struct Color(i32, i32, i32);
struct Point(i32, i32, i32);
fn main() {
let black = Color(0, 0, 0);
let origin = Point(0, 0, 0);
}
注意 black 和 origin 值的类型不同，因为它们是不同的元组结构体的实例。你定义的每一个结构体有其自己的类型，即使结构体中的字段可能有着相同的类型。例如，一个获取 Color 类型参数的函数不能接受 Point 作为参数，即便这两个类型都由三个 i32 值组成。在其他方面，元组结构体实例类似于元组，你可以将它们解构为单独的部分，也可以使用 . 后跟索引来访问单独的值，等等。
没有任何字段的类单元结构体
我们也可以定义一个没有任何字段的结构体！它们被称为 类单元结构体（unit-like structs）因为它们类似于 ()，即“元组类型”一节中提到的 unit 类型。类单元结构体常常在你想要在某个类型上实现 trait 但不需要在类型中存储数据的时候发挥作用。我们将在第十章介绍 trait。下面是一个声明和实例化一个名为 AlwaysEqual 的 unit 结构的例子。
struct AlwaysEqual;
fn main() {
let subject = AlwaysEqual;
}
要定义 AlwaysEqual，我们使用 struct 关键字，我们想要的名称，然后是一个分号。不需要花括号或圆括号！
然后，我们可以以类似的方式在 subject 变量中获得 AlwaysEqual 的实例：使用我们定义的名称，不需要任何花括号或圆括号。
方法语法
让我们把前面实现的获取一个 Rectangle 实例作为参数的 area 函数，改写成一个定义于 Rectangle 结构体上的 area 方法，如下所示：
#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
width: u32,
height: u32,
}
impl Rectangle {
fn area(&self) -> u32 {
self.width * self.height
}
}
fn main() {
let rect1 = Rectangle {
width: 30,
height: 50,
};
println!(
"The area of the rectangle is {} square pixels.",
rect1.area()
);
}
为了使函数定义于 Rectangle 的上下文中，我们开始了一个 impl 块。
这个 impl 块中的所有内容都将与 Rectangle 类型相关联。
接着将 area 函数移动到 impl 大括号中，并将签名中的第一个（在这里也是唯一一个）参数和函数体中其他地方的对应参数改成 self。
然后在 main 中将我们先前调用 area 方法并传递 rect1 作为参数的地方，改成使用 方法语法（method syntax）在 Rectangle 实例上调用 area 方法。方法语法获取一个实例并加上一个点号，后跟方法名、圆括号以及任何参数。
在 area 的签名中，使用 &self 来替代 rectangle: &Rectangle，&self 实际上是 self: &Self 的缩写。在一个 impl 块中，Self 类型是 impl 块的类型的别名。方法的第一个参数必须有一个名为 self 的Self 类型的参数，所以 Rust 让你在第一个参数位置上只用 self 这个名字来缩写。注意，我们仍然需要在 self 前面使用 & 来表示这个方法借用了 Self 实例，就像我们在 rectangle: &Rectangle 中做的那样。方法可以选择获得 self 的所有权，或者像我们这里一样不可变地借用 self，或者可变地借用 self，就跟其他参数一样。
这里选择 &self 的理由跟在函数版本中使用 &Rectangle 是相同的：我们并不想获取所有权，只希望能够读取结构体中的数据，而不是写入。如果想要在方法中改变调用方法的实例，需要将第一个参数改为 &mut self。通过仅仅使用 self 作为第一个参数来使方法获取实例的所有权是很少见的；这种技术通常用在当方法将 self 转换成别的实例的时候，这时我们想要防止调用者在转换之后使用原始的实例。
使用方法替代函数，除了可使用方法语法和不需要在每个函数签名中重复 self 的类型之外，其主要好处在于组织性。我们将某个类型实例能做的所有事情都一起放入 impl 块中，而不是让将来的用户在我们的库中到处寻找 Rectangle 的功能。
请注意，我们可以选择将方法的名称与结构中的一个字段相同。例如，我们可以在 Rectangle 上定义一个方法，并命名为 width：
#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
width: u32,
height: u32,
}
impl Rectangle {
fn width(&self) -> bool {
self.width > 0
}
}
fn main() {
let rect1 = Rectangle {
width: 30,
height: 50,
};
if rect1.width() {
println!("The rectangle has a nonzero width; it is {}", rect1.width);
}
}
在这里，我们选择让 width 方法在实例的 width 字段的值大于 0 时返回 true，等于 0 时则返回 false：我们可以出于任何目的，在同名的方法中使用同名的字段。在 main 中，当我们在 rect1.width 后面加上括号时。Rust 知道我们指的是方法 width。当我们不使用圆括号时，Rust 知道我们指的是字段 width。
通常，但并不总是如此，与字段同名的方法将被定义为只返回字段中的值，而不做其他事情。这样的方法被称为 getters，Rust 并不像其他一些语言那样为结构字段自动实现它们。Getters 很有用，因为你可以把字段变成私有的，但方法是公共的，这样就可以把对字段的只读访问作为该类型公共 API 的一部分。我们将在第七章中讨论什么是公有和私有，以及如何将一个字段或方法指定为公有或私有。
运算符到哪去了？
在 C/C++ 语言中，有两个不同的运算符来调用方法：. 直接在对象上调用方法，而 -> 在一个对象的指针上调用方法，这时需要先解引用（dereference）指针。换句话说，如果object是一个指针，那么object->something()就像(*object).something()一样。
Rust 并没有一个与 -> 等效的运算符；相反，Rust 有一个叫自动引用和解引用（automatic referencing and dereferencing）的功能。方法调用是 Rust 中少数几个拥有这种行为的地方。
它是这样工作的：当使用object.something()调用方法时，Rust 会自动为object添加&、&mut 或 *以便使object与方法签名匹配。也就是说，这些代码是等价的：
p1.distance(&p2);
(&p1).distance(&p2);
第一行看起来简洁的多。这种自动引用的行为之所以有效，是因为方法有一个明确的接收者————
self的类型。在给出接收者和方法名的前提下，Rust 可以明确地计算出方法是仅仅读取（&self），做出修改（&mut self）或者是获取所有权（self）。事实上，Rust 对方法接收者的隐式借用让所有权在实践中更友好。
关联函数
所有在 impl 块中定义的函数被称为 关联函数（associated functions），因为它们与 impl 后面命名的类型相关。我们可以定义不以 self 为第一参数的关联函数（因此不是方法），因为它们并不作用于一个结构体的实例。我们已经使用了一个这样的函数：在 String 类型上定义的 String::from 函数。
不是方法的关联函数经常被用作返回一个结构体新实例的构造函数。这些函数的名称通常为 new ，但 new 并不是一个关键字。例如我们可以提供一个叫做 square 关联函数，它接受一个维度参数并且同时作为宽和高，这样可以更轻松的创建一个正方形 Rectangle 而不必指定两次同样的值：
#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
width: u32,
height: u32,
}
impl Rectangle {
fn square(size: u32) -> Self {
Self {
width: size,
height: size,
}
}
}
fn main() {
let sq = Rectangle::square(3);
}
关键字 Self 在函数的返回类型中代指在 impl 关键字后出现的类型，在这里是 Rectangle
使用结构体名和 :: 语法来调用这个关联函数：比如 let sq = Rectangle::square(3);。这个函数位于结构体的命名空间中：:: 语法用于关联函数和模块创建的命名空间。第七章会讲到模块。
多个 impl 块
每个结构体都允许拥有多个 impl 块。
在这里插入代码片#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
width: u32,
height: u32,
}
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
}
}
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));
println!("Can rect1 hold rect3? {}", rect1.can_hold(&rect3));
}
这里没有理由将这些方法分散在多个 impl 块中，不过这是有效的语法。第十章讨论泛型和 trait 时会看到实用的多 impl 块的用例。
结构体并不是创建自定义类型的唯一方法：让我们转向 Rust 的枚举功能，为你的工具箱再添一个工具。
枚举
让我们看看一个需要诉诸于代码的场景，来考虑为何此时使用枚举更为合适且实用。假设我们要处理 IP 地址。目前被广泛使用的两个主要 IP 标准：IPv4（version four）和 IPv6（version six）。这是我们的程序可能会遇到的所有可能的 IP 地址类型：所以可以 枚举 出所有可能的值，这也正是此枚举名字的由来。
任何一个 IP 地址要么是 IPv4 的要么是 IPv6 的，而且不能两者都是。IP 地址的这个特性使得枚举数据结构非常适合这个场景，因为枚举值只可能是其中一个成员。IPv4 和 IPv6 从根本上讲仍是 IP 地址，所以当代码在处理适用于任何类型的 IP 地址的场景时应该把它们当作相同的类型。
可以通过在代码中定义一个 IpAddrKind 枚举来表现这个概念并列出可能的 IP 地址类型，V4 和 V6。这被称为枚举的 成员（variants）：
enum IpAddrKind {
V4,
V6,
}
fn main() {
let four = IpAddrKind::V4;
let six = IpAddrKind::V6;
route(IpAddrKind::V4);
route(IpAddrKind::V6);
}
fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}
现在 IpAddrKind 就是一个可以在代码中使用的自定义数据类型了。
枚举值
可以像这样创建 IpAddrKind 两个不同成员的实例：
let four = IpAddrKind::V4;
let six = IpAddrKind::V6;
注意枚举的成员位于其标识符的命名空间中，并使用两个冒号分开。这么设计的益处是现在 IpAddrKind::V4 和 IpAddrKind::V6 都是 IpAddrKind 类型的。例如，接着可以定义一个函数来获取任何 IpAddrKind：
fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}
现在可以使用任一成员来调用这个函数：
route(IpAddrKind::V4);
route(IpAddrKind::V6);
使用枚举甚至还有更多优势。进一步考虑一下我们的 IP 地址类型，目前没有一个存储实际 IP 地址 数据 的方法；只知道它是什么 类型 的。考虑到已经在第五章学习过结构体了，你可能会像示例 6-1 那样处理这个问题：
fn main() {
enum IpAddrKind {
V4,
V6,
}
struct IpAddr {
kind: IpAddrKind,
address: String,
}
let home = IpAddr {
kind: IpAddrKind::V4,
address: String::from("127.0.0.1"),
};
let loopback = IpAddr {
kind: IpAddrKind::V6,
address: String::from("::1"),
};
}
这里我们定义了一个有两个字段的结构体 IpAddr：IpAddrKind（之前定义的枚举）类型的 kind 字段和 String 类型 address 字段。我们有这个结构体的两个实例。第一个，home，它的 kind 的值是 IpAddrKind::V4 与之相关联的地址数据是 127.0.0.1。第二个实例，loopback，kind 的值是 IpAddrKind 的另一个成员，V6，关联的地址是 ::1。我们使用了一个结构体来将 kind 和 address 打包在一起，现在枚举成员就与值相关联了。
我们可以使用一种更简洁的方式来表达相同的概念，仅仅使用枚举并将数据直接放进每一个枚举成员而不是将枚举作为结构体的一部分。IpAddr 枚举的新定义表明了 V4 和 V6 成员都关联了 String 值：
fn main() {
enum IpAddr {
V4(String),
V6(String),
}
let home = IpAddr::V4(String::from("127.0.0.1"));
let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}
我们直接将数据附加到枚举的每个成员上，这样就不需要一个额外的结构体了。这里也很容易看出枚举工作的另一个细节：每一个我们定义的枚举成员的名字也变成了一个构建枚举的实例的函数。也就是说，IpAddr::V4() 是一个获取 String 参数并返回 IpAddr 类型实例的函数调用。作为定义枚举的结果，这些构造函数会自动被定义。
用枚举替代结构体还有另一个优势：每个成员可以处理不同类型和数量的数据。IPv4 版本的 IP 地址总是含有四个值在 0 和 255 之间的数字部分。如果我们想要将 V4 地址存储为四个 u8 值而 V6 地址仍然表现为一个 String，这就不能使用结构体了。枚举则可以轻易的处理这个情况：
fn main() {
enum IpAddr {
V4(u8, u8, u8, u8),
V6(String),
}
let home = IpAddr::V4(127, 0, 0, 1);
let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}
这些代码展示了使用枚举来存储两种不同 IP 地址的几种可能的选择。然而，事实证明存储和编码 IP 地址实在是太常见了以致标准库提供了一个开箱即用的定义！让我们看看标准库是如何定义 IpAddr 的：它正有着跟我们定义和使用的一样的枚举和成员，不过它将成员中的地址数据嵌入到了两个不同形式的结构体中，它们对不同的成员的定义是不同的：
fn main() {
struct Ipv4Addr {
// --snip--
}
struct Ipv6Addr {
// --snip--
}
enum IpAddr {
V4(Ipv4Addr),
V6(Ipv6Addr),
}
}
这些代码展示了可以将任意类型的数据放入枚举成员中：例如字符串、数字类型或者结构体。甚至可以包含另一个枚举！另外，标准库中的类型通常并不比你设想出来的要复杂多少。
注意虽然标准库中包含一个 IpAddr 的定义，仍然可以创建和使用我们自己的定义而不会有冲突，因为我们并没有将标准库中的定义引入作用域。第七章会讲到如何导入类型。
来看看示例 6-2 中的另一个枚举的例子：它的成员中内嵌了多种多样的类型：
enum Message {
Quit,
Move { x: i32, y: i32 },
Write(String),
ChangeColor(i32, i32, i32),
}
fn main() {}
示例 6-2：一个 Message 枚举，其每个成员都存储了不同数量和类型的值
这个枚举有四个含有不同类型的成员：
- Quit 没有关联任何数据。
- Move 类似结构体包含命名字段。
- Write 包含单独一个 String。
- ChangeColor 包含三个 i32。
定义一个如示例 6-2 中所示那样的有关联值的枚举的方式和定义多个不同类型的结构体的方式很相像，除了枚举不使用 struct 关键字以及其所有成员都被组合在一起位于 Message 类型下。如下这些结构体可以包含与之前枚举成员中相同的数据：
struct QuitMessage; // 类单元结构体
struct MoveMessage {
x: i32,
y: i32,
}
struct WriteMessage(String); // 元组结构体
struct ChangeColorMessage(i32, i32, i32); // 元组结构体
不过，如果我们使用不同的结构体，由于它们都有不同的类型，我们将不能像使用示例 6-2 中定义的 Message 枚举那样，轻易的定义一个能够处理这些不同类型的结构体的函数，因为枚举是单独一个类型。
结构体和枚举还有另一个相似点：就像可以使用 impl 来为结构体定义方法那样，也可以在枚举上定义方法。这是一个定义于我们 Message 枚举上的叫做 call 的方法：
impl Message {
fn call(&self) {
// 在这里定义方法体
}
}
let m = Message::Write(String::from("hello"));
m.call();
方法体使用了 self 来获取调用方法的值。这个例子中，创建了一个值为 Message::Write(String::from(“hello”)) 的变量 m，而且这就是当 m.call() 运行时 call 方法中的 self 的值。
让我们看看标准库中的另一个非常常见且实用的枚举：Option。
Option
Option 枚举和其相对于空值的优势:
这一部分会分析一个 Option 的案例，Option 是标准库定义的另一个枚举。Option 类型应用广泛因为它编码了一个非常普遍的场景，即一个值要么有值要么没值。
例如，如果请求一个非空列表的第一项，会得到一个值，如果请求一个空的列表，就什么也不会得到。从类型系统的角度来表达这个概念就意味着编译器需要检查是否处理了所有应该处理的情况，这样就可以避免在其他编程语言中非常常见的 bug。
编程语言的设计经常要考虑包含哪些功能，但考虑排除哪些功能也很重要。Rust 并没有很多其他语言中有的空值功能。空值（Null ）是一个值，它代表没有值。在有空值的语言中，变量总是这两种状态之一：空值和非空值。
Tony Hoare，null 的发明者，在他 2009 年的演讲 “Null References: The Billion Dollar Mistake” 中曾经说到：
I call it my billion-dollar mistake. At that time, I was designing the first comprehensive type system for references in an object-oriented language. My goal was to ensure that all use of references should be absolutely safe, with checking performed automatically by the compiler. But I couldn’t resist the temptation to put in a null reference, simply because it was so easy to implement. This has led to innumerable errors, vulnerabilities, and system crashes, which have probably caused a billion dollars of pain and damage in the last forty years.
我称之为我十亿美元的错误。当时，我在为一个面向对象语言设计第一个综合性的面向引用的类型系统。我的目标是通过编译器的自动检查来保证所有引用的使用都应该是绝对安全的。不过我未能抵抗住引入一个空引用的诱惑，仅仅是因为它是这么的容易实现。这引发了无数错误、漏洞和系统崩溃，在之后的四十多年中造成了数十亿美元的苦痛和伤害。
空值的问题在于当你尝试像一个非空值那样使用一个空值，会出现某种形式的错误。因为空和非空的属性无处不在，非常容易出现这类错误。
然而，空值尝试表达的概念仍然是有意义的：空值是一个因为某种原因目前无效或缺失的值。
问题不在于概念而在于具体的实现。为此，Rust 并没有空值，不过它确实拥有一个可以编码存在或不存在概念的枚举。这个枚举是 Option，而且它定义于标准库中，如下：
enum Option<T> {
None,
Some(T),
}
Option 枚举是如此有用以至于它甚至被包含在了 prelude 之中，你不需要将其显式引入作用域。另外，它的成员也是如此，可以不需要 Option:: 前缀来直接使用 Some 和 None。即便如此 Option 也仍是常规的枚举，Some(T) 和 None 仍是 Option 的成员。
语法是一个我们还未讲到的 Rust 功能。它是一个泛型类型参数，第十章会更详细的讲解泛型。目前，所有你需要知道的就是 意味着 Option 枚举的 Some 成员可以包含任意类型的数据，同时每一个用于 T 位置的具体类型使得 Option 整体作为不同的类型。这里是一些包含数字类型和字符串类型 Option 值的例子：
fn main() {
let some_number = Some(5);
let some_char = Some('e');
let absent_number: Option<i32> = None;
}
some_number 的类型是 Option。some_char 的类型是 Option，这（与 some_number）是一个不同的类型。因为我们在 Some 成员中指定了值，Rust 可以推断其类型。对于 absent_number，Rust 需要我们指定 Option 整体的类型，因为编译器只通过 None 值无法推断出 Some 成员保存的值的类型。这里我们告诉 Rust 希望 absent_number 是 Option 类型的。
当有一个 Some 值时，我们就知道存在一个值，而这个值保存在 Some 中。当有个 None 值时，在某种意义上，它跟空值具有相同的意义：并没有一个有效的值。那么，Option 为什么就比空值要好呢？
简而言之，因为 Option 和 T（这里 T 可以是任何类型）是不同的类型，编译器不允许像一个肯定有效的值那样使用 Option。例如，这段代码不能编译，因为它尝试将 Option 与 i8 相加：
fn main() {
let x: i8 = 5;
let y: Option<i8> = Some(5);
let sum = x + y;
}
如果运行这些代码，将得到类似这样的错误信息：
$ cargo run
Compiling enums v0.1.0 (file:///projects/enums)
error[E0277]: cannot add `Option<i8>` to `i8`
--> src/main.rs:5:17
|
5 | let sum = x + y;
| ^ no implementation for `i8 + Option<i8>`
|
= help: the trait `Add<Option<i8>>` is not implemented for `i8`
= help: the following other types implement trait `Add<Rhs>`:
<&'a f32 as Add<f32>>
<&'a f64 as Add<f64>>
<&'a i128 as Add<i128>>
<&'a i16 as Add<i16>>
<&'a i32 as Add<i32>>
<&'a i64 as Add<i64>>
<&'a i8 as Add<i8>>
<&'a isize as Add<isize>>
and 48 others
For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.
error: could not compile `enums` due to previous error
很好！事实上，错误信息意味着 Rust 不知道该如何将 Option 与 i8 相加，因为它们的类型不同。当在 Rust 中拥有一个像 i8 这样类型的值时，编译器确保它总是有一个有效的值。我们可以自信使用而无需做空值检查。只有当使用 Option（或者任何用到的类型）的时候需要担心可能没有值，而编译器会确保我们在使用值之前处理了为空的情况。
换句话说，在对 Option 进行运算之前必须将其转换为 T。通常这能帮助我们捕获到空值最常见的问题之一：假设某值不为空但实际上为空的情况。
总的来说，为了使用 Option 值，需要编写处理每个成员的代码。你想要一些代码只当拥有 Some(T) 值时运行，允许这些代码使用其中的 T。也希望一些代码只在值为 None 时运行，这些代码并没有一个可用的 T 值。match 表达式就是这么一个处理枚举的控制流结构：它会根据枚举的成员运行不同的代码，这些代码可以使用匹配到的值中的数据。