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20天学会rust（三）没有object的rust怎么面向对象？

news 2025/6/26 2:58:28

面向对象我们都很熟悉，可以说它是一种软件开发最重要的编程范式之一，它将程序中的数据和操作数据的方法组织成对象。面向对象有几个重要特性：封装、继承和多态，基于这些特性带来了在可重用性、可维护性、扩展性、可靠性的优点。 Java提供了一套完整的实现，那么在Rust中如何面向对象编程呢？

别着急，在回答这个问题之前，我们先画个5分钟，学习几个基本概念，答案就呼之欲出了。

基本概念

结构体（struct）

结构体定义
在Rust中，通过使用 struct 关键字来定义结构体。结构体定义了一个包含多个字段的数据结构，并可以为结构体实现方法。每个字段都有自己的类型和名称。

// 定义一个Person结构体
struct Person {name: String,age: u32,
}

结构体创建
可以使用结构体的名称和字段的值来创建结构体。有两种常见的创建方式：

直接初始化：直接为每个字段指定值。

// 直接初始化结构体
let person = Person {name: String::from("Alice"),age: 30,
};

使用构造函数：通过实现一个返回结构体实例的函数来创建结构体。

impl Person {// 定义一个新的Person实例的构造函数fn new(name: String, age: u32) -> Person {Person { name, age }}
}// 使用构造函数创建结构体实例
let person = Person::new(String::from("Alice"), 30);

访问结构体字段：
可以使用点操作符（ . ）来访问结构体中的字段。通过结构体实例的名称后跟字段名称，即可访问该字段的值。

// 访问结构体字段
println!("Name: {}", person.name);
println!("Age: {}", person.age);

修改结构体字段：
在Rust中，结构体的字段默认是不可变的（immutable）。如果想要修改结构体的字段，可以使用 mut 关键字将结构体实例声明为可变的（mutable），然后通过点操作符来修改字段的值。
// 修改结构体字段

let mut mutable_person = Person::new(String::from("Bob"), 25);
mutable_person.age = 26;println!("Modified Age: {}", mutable_person.age);

在上述代码中，我们首先定义了一个名为Person的结构体，它有两个字段：name和age。然后，我们为Person结构体实现了一个构造函数 new ，用于创建新的Person实例。
在 main 函数中，我们通过直接初始化的方式实例化了一个Person结构体，将姓名设置为"Alice"，年龄设置为30。然后，我们使用点操作符来访问结构体字段，并打印出姓名和年龄。
接下来，我们使用构造函数 Person::new 创建了一个可变的Person结构体实例 mutable_person ，将姓名设置为"Bob"，年龄设置为25。然后，通过将实例声明为可变的，并使用点操作符来修改年龄字段的值为26，并打印出修改后的年龄。

ok，我们掌握了rust的对象定义方法，但是rust除了上述方式，还提供了一些struct的增强，学习了他们可以帮助更简洁的使用struct。

元组结构体

Rust中的元组结构体是一种特殊类型的结构体，它类似于元组，但具有命名的字段。元组结构体允许我们在结构体中组合不同类型的值，并为每个字段指定一个名称。直接看示例：

// 定义一个元组结构体
struct Person(String, u32);fn main() {// 创建一个Person实例let person = Person("Alice".to_string(), 25);// 访问元组结构体的字段let name = person.0;let age = person.1;println!("Name: {}", name);println!("Age: {}", age);
}

在上述代码中，我们定义了一个名为Person的元组结构体。它有两个字段：一个是String类型的name字段，另一个是u32类型的age字段。
在 main 函数中，我们创建了一个Person实例 person ，并为name字段赋值为"Alice"，age字段赋值为25。
然后，我们通过使用索引来访问元组结构体的字段。元组结构体的字段可以使用 . 加上索引的方式进行访问，索引从0开始。在这个例子中，我们通过 person.0 访问了name字段，通过 person.1 访问了age字段。
最后，我们打印出name和age字段的值。
通过元组结构体，我们可以将不同类型的值组合在一起，并为每个字段指定一个名称，提高了代码的可读性和可维护性。

单元结构体

单元结构体是一种特殊类型的结构体，它不包含任何字段。它类似于C语言中的空结构体或者其他语言中的 unit 类型。单元结构体在Rust中常用于表示没有实际数据的情况，通常用作占位符或者标记类型。下面是一个示例代码来介绍单元结构体的使用：

// 定义一个单元结构体
struct EmptyStruct;fn main() {// 创建一个单元结构体实例let empty = EmptyStruct;// 访问单元结构体（无操作）// 打印单元结构体println!("{:?}", empty);
}

在上述代码中，我们定义了一个名为EmptyStruct的单元结构体。它没有任何字段。
在 main 函数中，我们创建了一个EmptyStruct实例 empty ，并没有对它进行任何操作。
最后，我们通过使用 println! 宏来打印出单元结构体 empty 。
单元结构体在Rust中用于表示没有实际数据的情况，通常用作占位符或者标记类型。例如，在某些情况下，我们可能只关心某个类型是否存在，而不关心它的具体值。这时，可以使用单元结构体来表示这种情况。

细心的朋友肯定注意到了，上面的例子里有一个新知识点：impl，这个是实现？我们下面就学习它

实现（impl）

impl 是Rust中的关键字，用于为类型实现方法。通过 impl 关键字，我们可以在特定类型上定义和实现方法。下面给出一个示例代码来介绍 impl 的使用：

// 定义一个名为Rectangle的结构体
struct Rectangle {width: u32,height: u32,
}// 为Rectangle结构体实现一个名为area的方法
impl Rectangle {// 定义area方法，用于计算矩形的面积fn area(&self) -> u32 {self.width * self.height}
}fn main() {// 创建一个Rectangle实例let rect = Rectangle {width: 10,height: 20,};// 调用Rectangle实例的area方法let area = rect.area();println!("Area: {}", area);
}

在上述代码中，我们首先定义了一个名为Rectangle的结构体，它有两个字段：width和height。然后，使用 impl 关键字为Rectangle结构体实现了一个名为area的方法。
在 impl Rectangle 块中，我们定义了一个area方法，用于计算矩形的面积。该方法接受一个 &self 参数，表示对Rectangle实例的借用。在方法体内，我们使用 self.width 和 self.height 来访问结构体的字段，并返回它们的乘积作为矩形的面积。
在 main 函数中，我们创建了一个Rectangle实例 rect ，并调用了它的area方法来计算矩形的面积。最后，我们打印出计算得到的面积。
通过 impl 关键字，我们可以在特定类型上定义和实现方法，使得代码更加模块化和可读性更高。

枚举

Rust中的枚举（Enum）是一种自定义数据类型，它允许我们将相关的值组合在一起，并为这些值定义一个公共的类型。枚举在Rust中非常常见，并且被广泛用于表示多个可能的取值。
下面使用颜色作为一个例子来说明枚举的使用。假设我们需要表示一组不同的颜色，可以使用枚举来定义这些颜色的类型。

enum Color {Red,Green,Blue,
}fn main() {let favorite_color = Color::Blue;match favorite_color {Color::Red => println!("I like red!"),Color::Green => println!("I like green!"),Color::Blue => println!("I like blue!"),}
}

在上述代码中，我们定义了一个名为Color的枚举类型，它有三个可能的取值：Red、Green和Blue。然后，在main函数中，我们创建了一个favorite_color变量，并将其设置为Color::Blue。接下来，我们使用match表达式来匹配favorite_color的取值，并根据不同的情况打印不同的消息。
通过枚举，我们可以将相关的值组合在一起，并为这些值定义一个公共的类型。这使得代码更加清晰和可读，同时也提供了更好的类型安全性。在实际开发中，枚举在表示状态、选项、错误类型等方面都非常有用。

接口（trait）

Rust中的trait可以类比java的implement，它是一种用于定义共享行为的机制。Trait可以看作是一组方法的抽象，它定义了一系列的方法签名，但没有提供默认的实现。通过实现trait，类型可以拥有这些方法，并共享相同的行为。
定义trait：
使用 trait 关键字可以定义一个trait，后面跟着trait的名称和方法签名。例如：

trait Printable {fn print(&self);
}

实现trait：
使用 impl 关键字可以为类型实现一个trait。在实现trait时，需要提供trait中定义的所有方法的具体实现。例如：

struct Person {name: String,
}
impl Printable for Person {fn print(&self) {println!("Name: {}", self.name);}
}

默认实现：

可以为trait中的方法提供默认的实现。这样，在实现trait时，如果不重写该方法，将会使用默认的实现。例如：

trait Printable {fn print(&self) {println!("Printing...");}
}

trait约束：
可以在函数或方法中使用trait约束，以指定参数必须实现某个trait。这样可以在函数内部使用trait中定义的方法。例如：

fn print_person<T: Printable>(person: T) {person.print();
}

多个trait约束：
可以使用 + 运算符将多个trait约束组合在一起。这样，参数必须同时实现这些trait。例如：

fn process<T: Printable + Clone>(data: T) {data.print();let cloned_data = data.clone();// ...
}

trait继承：
trait可以继承其他trait，从而扩展或组合行为。使用 : 符号可以指定一个trait继承另一个trait。例如：

trait Printable {fn print(&self);}trait Debuggable: Printable {fn debug(&self);}

Trait是Rust中非常强大的特性，它提供了一种灵活的方式来实现共享行为，并在编译时进行静态检查。通过trait，可以实现代码的重用性和可扩展性。

泛型

Rust是一种支持泛型编程的静态类型编程语言。泛型是一种编程技术，允许在编写代码时使用参数化类型，从而增加代码的灵活性和重用性。以下是Rust中泛型的一些特点和用法，并提供具体的例子：

定义泛型类型： 在Rust中，可以使用尖括号 <T> 来定义泛型类型。例如， Vec<T> 表示一个可以存储任意类型元素的动态数组。

let numbers: Vec<i32> = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let names: Vec<String> = vec!["Alice".to_string(), "Bob".to_string()];

函数泛型： 在函数定义中，可以使用泛型类型参数来表示函数的参数和返回值的类型。例如， fn foo<T>(x: T) -> T 表示一个接受任意类型参数并返回相同类型的函数。

fn print_value<T>(value: T) {println!("Value: {}", value);
}print_value(42);
print_value("Hello");

结构体泛型： 在结构体定义中，可以使用泛型类型参数来表示结构体的字段类型。例如， struct Point<T> { x: T, y: T } 表示一个具有泛型字段的结构体。

struct Point<T> {x: T,y: T,
}let int_point: Point<i32> = Point { x: 10, y: 20 };
let float_point: Point<f64> = Point { x: 1.5, y: 2.5 };

方法泛型： 在结构体或枚举的方法定义中，可以使用泛型类型参数来表示方法的参数和返回值的类型。例如， impl<T> Point<T> { fn get_x(&self) -> &T } 表示一个具有泛型方法的结构体。

impl<T> Point<T> {fn get_x(&self) -> &T {&self.x}
}let int_point: Point<i32> = Point { x: 10, y: 20 };
println!("X coordinate: {}", int_point.get_x());

trait泛型： 在trait定义中，可以使用泛型类型参数来表示关联类型或方法的参数和返回值的类型。例如， trait Iterator<Item = T> { fn next(&mut self) -> Option<T> } 表示一个具有泛型关联类型和方法的trait。

trait Iterator {type Item;fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}struct Counter {current: u32,max: u32,
}impl Iterator for Counter {type Item = u32;fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {if self.current < self.max {let value = self.current;self.current += 1;Some(value)} else {None}}
}let mut counter = Counter { current: 0, max: 5 };
while let Some(value) = counter.next() {println!("Counter: {}", value);
}

泛型约束： 可以使用泛型约束来限制泛型类型参数的行为。例如，fn foo<T: Display>(x: T) { println!("{}", x) } 表示一个接受实现了 Display trait的泛型参数的函数。

use std::fmt::Display;fn print_value<T: Display>(value: T) {println!("Value: {}", value);
}
print_value(42);
print_value("Hello");

通过泛型，Rust允许我们编写通用的代码，适用于多种类型，并在编译时进行静态检查，从而提高代码的灵活性和重用性。

OK，fine！到此我们学完了rust关于结构体的基础知识，那么怎么面向对象呢？

面向对象

Rust是一门多范式的编程语言，它支持面向对象编程（OOP）的概念，包括封装、继承和多态。下面我将用一个例子来说明如何在Rust中实现面向对象的代码。
假设我们要创建一个图形库，其中包含不同类型的图形对象，比如矩形（Rectangle）和圆形（Circle）。我们可以使用结构体（struct）和特征（trait）来实现封装、继承和多态。
首先，我们定义一个 Shape 特征，用于表示图形对象的共同行为：

trait Shape {fn area(&self) -> f64;fn display(&self);
}

在这个特征中，我们定义了两个方法： area 用于计算图形对象的面积， display 用于显示图形对象的信息。
接下来，我们实现 Rectangle 结构体，并为其实现 Shape 特征：

struct Rectangle {width: f64,height: f64,
}impl Shape for Rectangle {fn area(&self) -> f64 {self.width * self.height}fn display(&self) {println!("Rectangle: width={}, height={}", self.width, self.height);}
}

在这个实现中，我们为 Rectangle 结构体实现了 Shape 特征的方法。通过实现 area 方法，我们可以计算矩形的面积；通过实现 display 方法，我们可以打印矩形的信息。
类似地，我们可以实现 Circle 结构体，并为其实现 Shape 特征：

struct Circle {radius: f64,
}impl Shape for Circle {fn area(&self) -> f64 {std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius}fn display(&self) {println!("Circle: radius={}", self.radius);}
}

在这个实现中，我们为 Circle 结构体实现了 Shape 特征的方法。通过实现 area 方法，我们可以计算圆形的面积；通过实现 display 方法，我们可以打印圆形的信息。
最后，我们可以在主函数中使用这些图形对象，并调用它们的方法：

fn main() {let rectangle = Rectangle { width: 5.0, height: 3.0 };let circle = Circle { radius: 2.0 };let shapes: Vec<Box<dyn Shape>> = vec![Box::new(rectangle),Box::new(circle),];for shape in shapes {shape.display();println!("Area: {}", shape.area());}
}

在这个例子中，我们创建了一个包含矩形和圆形对象的 shapes 向量，并使用 Box<dyn Shape> 来存储不同类型的图形对象。然后，我们遍历 shapes 向量，调用每个图形对象的 display 和 area 方法。

通过这个例子，我们可以看到，在Rust中通过结构体和特征的组合，我们可以实现封装（将数据和行为封装在结构体中）、继承（通过实现特征来共享行为）和多态（通过使用 Box<dyn Shape> 来存储不同类型的对象）等面向对象的概念。是不是很简单，你学废了吗？

同样的留一个课后作业：用面向对象的方式完成题目：551. 学生出勤记录 I
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