進階型別

我們提及 Rust 的型別系統有諸多特色,不過尚未深入討論。本章將從一般角度切入討論新型別(newtype)並檢驗為何作為型別來說,新型別非常好用。再來,接續看看型別別名(type alias)這個類似新型別但語意上不盡相同的特色。我們也會探討 ! 型別與動態大小型別(dynamically sized type)。

注意:接下來一節假定你已閱讀前面的章節 「使用新型別模式替外部型別實作外部特徵」

透過新型別模式達成型別安全與抽象

目前為止,我們討論過的任務中,新型別模式皆游刃有餘,包括靜態強制不讓值被混淆,同時能表示該值的單位。在範例 19-15 可以見到如何善用新型別表示該值的單位:回憶一下,MillimetersMetersu32 的值封裝在新型別內,若我們寫了一個函式需要型別為 Millimeters 的參數,我們不可能編譯出一支可以誤傳 Meters 型別或 u32 來呼叫這個函式的程式。

另一個新型別的使用情境是替一型別的實作細節建立抽象層:如果我們直接將新型別作為限制可用功能的手段,新型別就可以公開有別於私有內部型別的 API。

新型別也可以隱藏內部實作。例如,我們可以提供 People 型別,封裝用來儲存人們的 ID 與姓名之間的關聯的 HashMap<i32, String>。使用 People 的程式碼僅能與我們提供的公開 API 互動,例如透過一個方法替 People 集合添加名字字串,這段程式碼就不需知道內部會將 i32 作為 ID 並映射到姓名上。我們在第十七章的「隱藏實作細節的封裝」一節也曾提及,利用新型別模式來達到封裝與隱藏實作細節,不失為一種輕量的方法。

透過型別別名建立型別同義詞

此外,Rust 提供了替一個既有型別宣告型別別名的方式。對此我們會使用 type 關鍵字,例如我們可以建立 i32 的別名 Kilometers,如範例所示:

fn main() {
    type Kilometers = i32;

    let x: i32 = 5;
    let y: Kilometers = 5;

    println!("x + y = {}", x + y);
}

現在,Kilometers 別名就是 i32同義詞。不像我們在範例 19-15 建立的 MillimetersMeters 型別,Kilometers 並非獨立的新型別。型別為 Kilometers 的值會被當作型別是 i32 的值。

fn main() {
    type Kilometers = i32;

    let x: i32 = 5;
    let y: Kilometers = 5;

    println!("x + y = {}", x + y);
}

由於 Kilometersi32 實際上是同個型別,所以兩者可以相加,我們也可以將 Kilometers 值傳入需要 i32 參數的函式。然而,這種作法並不像前面討論的新型別模式一樣有益於型別檢查。

型別同義詞的主要使用情境在於減少重複。例如我們有一個又臭又長的型別:

Box<dyn Fn() + Send + 'static>

到處在函式簽名與型別註解寫這個型別既累人又容易失誤。想像你有一個專案的程式碼都長得像範例 19-24。

fn main() {
    let f: Box<dyn Fn() + Send + 'static> = Box::new(|| println!("嗨"));

    fn takes_long_type(f: Box<dyn Fn() + Send + 'static>) {
        // --省略--
    }

    fn returns_long_type() -> Box<dyn Fn() + Send + 'static> {
        // --省略--
        Box::new(|| ())
    }
}

範例 19-24:在多處使用很長的型別

使用型別別名減少重複,讓程式碼更可控。範例 19-25,我們替落落長的型別導入一個 Trunk 別名,所有用到該型別之處都能用短小的 Thunk 替代。

fn main() {
    type Thunk = Box<dyn Fn() + Send + 'static>;

    let f: Thunk = Box::new(|| println!("嗨"));

    fn takes_long_type(f: Thunk) {
        // --省略--
    }

    fn returns_long_type() -> Thunk {
        // --省略--
        Box::new(|| ())
    }
}

範例 19-25:導入型別別名 Thunk 來減少重複

這段程式碼更容易讀寫了!選擇有意義的型別別名也有助於溝通傳達你的意圖(thunk 是一個表示會在未來對此程式碼求值,所以很適用表達儲存起來的閉包)。

型別別名同樣十分常用在 Result<T, E> 來減少重複。試想標準函式庫的 std::io 模組,輸入輸出(I/O)操作通常會藉由回傳 Result<T, E> 來處理失敗的操作。標準函式庫有個 std::io::Error 結構體來表示所有可能的 I/O 錯誤。許多在 std::io 內的函式會回傳 Estd::io::ErrorResult<T, E> ,例如這些 Write 特徵下的函式:


#![allow(unused)]
fn main() {
use std::fmt;
use std::io::Error;

pub trait Write {
    fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<usize, Error>;
    fn flush(&mut self) -> Result<(), Error>;

    fn write_all(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<(), Error>;
    fn write_fmt(&mut self, fmt: fmt::Arguments) -> Result<(), Error>;
}
}

這些 Result<..., Error> 不斷重複,有鑑於此,std::io 宣告了這個型別的別名:

use std::fmt;

type Result<T> = std::result::Result<T, std::io::Error>;

pub trait Write {
    fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<usize>;
    fn flush(&mut self) -> Result<()>;

    fn write_all(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<()>;
    fn write_fmt(&mut self, fmt: fmt::Arguments) -> Result<()>;
}

fn main() {}

由於這個宣告是在 std::io 模組內,因此我們可直接使用完全限定的別名 std::io::Result<T>,實際上就是 E 預先填入 std::io::ErrorResult<T, E>。最終,Write 特徵的函式簽名就會長得這樣:

use std::fmt;

type Result<T> = std::result::Result<T, std::io::Error>;

pub trait Write {
    fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<usize>;
    fn flush(&mut self) -> Result<()>;

    fn write_all(&mut self, buf: &[u8]) -> Result<()>;
    fn write_fmt(&mut self, fmt: fmt::Arguments) -> Result<()>;
}

fn main() {}

型別別名有助於兩個面向:讓程式碼更容易撰寫,對所有 std::io 提供一致的介面。因為它僅僅是別名,所以就是一個 Result<T, E> 而已,這意味著我們能使用任何可與 Result<T, E> 互動的方法,以及使用類似 ? 運算子這種特殊語法。

永不回傳的永不型別

Rust 有一個特殊的型別叫做 !,由於它沒有任何值,在型別理論的行話中又稱為空型別(empty type) 。不過我們更喜歡稱之為永不型別(never type) ,因為當一個函式永遠不會回傳,永不型別將會替代原本的回傳型別。這裡來個範例:

fn bar() -> ! {
    // --省略--
    panic!();
}

fn main() {}

這段程式碼可讀作「函式 bar 永不回傳」。永不回傳的函數稱為發散函式(diverging function) ,我們無法建立 ! 型別,所以 bar 永遠無法回傳。

不過,若永遠無法替這個型別建立值,那要這個型別幹嘛呢?回想一下,範例 2-5 的程式碼,在我們的範例 19-26 又重現了。

use rand::Rng;
use std::cmp::Ordering;
use std::io;

fn main() {
    println!("請猜測一個數字!");

    let secret_number = rand::thread_rng().gen_range(1, 101);

    println!("祕密數字為:{}", secret_number);

    loop {
        println!("請輸入你的猜測數字。");

        let mut guess = String::new();

        // --省略--

        io::stdin()
            .read_line(&mut guess)
            .expect("讀取該行失敗");

        let guess: u32 = match guess.trim().parse() {
            Ok(num) => num,
            Err(_) => continue,
        };

        println!("你的猜測數字:{}", guess);

        // --省略--

        match guess.cmp(&secret_number) {
            Ordering::Less => println!("太小了!"),
            Ordering::Greater => println!("太大了!"),
            Ordering::Equal => {
                println!("獲勝!");
                break;
            }
        }
    }
}

範例 19-26:match 其中一個分支結束在 continue

當時我們跳過了這段程式碼的一些細節。在第六章match 控制流運算子」一節,我們探討了每個 match 分支必須回傳相同的型別,所以,例如以下程式碼就不能執行:

fn main() {
    let guess = "3";
    let guess = match guess.trim().parse() {
        Ok(_) => 5,
        Err(_) => "hello",
    };
}

這段程式碼中 guess 的型別必須是同時是整數與字串,並且 Rust 要求 guess 只能是一種型別。那 contiunue 回傳了什麼?範例 19-26 中,為什麼允許一個分支回傳 u32 但同時有另一分支結束在 continue

如你所猜,continue 具有 ! 值。意即當 Rust 根據兩個分支來推算 guess 型別時,會觀察到前者會是 u32,而後者是 !。因為 ! 永遠不會有值,Rust 於是決定 guess 的型別為 u32

描述這種行為的正確方式是:! 型別的表達式能夠轉型為任意其他型別。我們允許 match 分支結束在 continue 就是因為 continue 不會回傳任何值,相反地,它將控制流移至迴圈的最上面,所以在 Err 的情況,我們不會對 guess 賦值。

永不型別在使用 panic! 巨集很實用。還記得當我們對 Option<T> 呼叫 unwrap 函式,會產生一個值或是恐慌嗎?這裡就是它的定義:

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

use crate::Option::*;

impl<T> Option<T> {
    pub fn unwrap(self) -> T {
        match self {
            Some(val) => val,
            None => panic!("called `Option::unwrap()` on a `None` value"),
        }
    }
}

和範例 19-26 match 相同的情況,在這段程式碼再度上演:Rust 看到 val 的型別是 Tpanic! 型別,所以 match 表達式的總體結果是 T。這段程式碼可執行是因為 panic! 會結束程式而不會產生值。當遇上 None 的情形,我們不會從 unwrap 回傳任何值,所以這段程式碼合法有效。

最後一個具有 ! 型別的表達式是 loop

fn main() {
    print!("永永");

    loop {
        print!("遠遠");
    }
}

這裡迴圈永不結束,所以 ! 就是迴圈表達式的值。但當我們有一個 break 時,這就不成立了,因為迴圈會在抵達 break 時終止。

動態大小型別與 Sized 特徵

由於 Rust 需要了解特定細節,例如需替特定型別之值分配多少空間,導致其類型系統有個地方令人困惑,就是動態大小型別(dynamically sized type) 的概念。 有時稱為 DST不定大小(unsize)型別,這些型別賦予我們寫出僅能在執行期(runtime)得知值的大小之程式碼。

讓我們深入研究一個貫穿全書到處使用的動態大小型別 str 的細節。你沒看錯,不是 &str 而是 str 本身就是 DST。在執行期前我們無從得知字串多長,也就表示無法建立一個型別為 str 的變數,更不能將 str 型別作為引數。試想以下不能執行的程式碼:

fn main() {
    let s1: str = "Hello there!";
    let s2: str = "How's it going?";
}

Rust 必須知道該配置多少記憶體給特定型別之值,且所有該型別之值都會使用相同的記憶體量。若 Rust 允許我們寫出這種程式碼,代表這兩個 str 值會用相同的空間大小,但它們長度不同:s1 需要 12 位元組來儲存,而 s2 需要 15 位元組。這就是為什麼不可能建立一個持有動態大小型別的變數。

那我們該如何是好?這種情況下,你其實已經知道答案:將 s1s2 的型別從 str 改成 &str。回憶以下,第四章「字串切片」一節我們說了,切片資料結構會儲存該切片的開始位置與長度。

雖然 &T 是單一的值,儲存了 T 所在的記憶體位址,&str 卻儲存兩個值:str 的位址與它的長度。如此一來,無論 &str 指向的字串有多長,我們都可以在編譯期得知 &str 的大小。一般來說,這就是動態大小型別在 Rust 中的使用方式,通常具有額外的資料紀錄動態資訊的大小。動態大小型別的黃金法則即是我們必將動態大小型別的值放在指向某種指標之後。

我們將各種指標與 str 結合,例如 Box<str>Rc<str>。事實上,你早已看過此類作法,不過是在其他動態大小型別上看過,那個型別就是特徵(trait)。每個特徵都是一個動態大小型別,我們可以透過使用特徵的名字來指涉它。在第十七章的「允許不同型別數值的特徵物件」部分,我們提及欲將特徵做為特徵物件來使用,必須將特徵放在指標之後,例如 &dyn TraitBox<dyn Trait>Rc<dyn Trait> 也行)。

為了使用 DST,Rust 提供一個 Sized 特徵,來決定一個型別的大小可否在編譯期就確定下來。對於能在編譯期得知大小的所有東西,都會自動實作這個特徵。此外 Rust 自動替所有泛型函式隱含加上 Sized 的約束。也就是說若一泛型函數定義如下:

fn generic<T>(t: T) {
    // --省略--
}

實際上就如同寫成這樣:

fn generic<T: Sized>(t: T) {
    // --省略--
}

預設情形下,泛型函式只能在編譯器得知大小的型別上使用。然而,你可以加上以下這個特殊語言來放寬這個限制:

fn generic<T: ?Sized>(t: &T) {
    // --省略--
}

?Sized 特徵界限與 Sized 特徵界限的效果相反:可以解讀為「T 可能是或不是 Sized」。這個語法只能用在 Sized,不適用於其他特徵。

也請注意,我們將參數 t 的型別由 T 轉為 &T,是因為這個型別可能不是 Sized,所以我們需要將它放在指標之後才能使用之,而在這例子中,我們選擇將它放在引用之後。 接下來,我們會聊聊函式和閉包!