Rust 数据类型 之 结构体（Struct）

目录

结构体（Struct）

定义与声明

结构体定义

结构体实例

结构体分类

单元结构体（Unit Struct）

元组结构体（Tuple Struct）

具名结构体（Named Struct）

结构体嵌套

结构体方法

例1：结构体转换为字符串描述

例2：矩形的周长和面积

例3：结构体字段的更新与输出

关联函数

结构体方法与关联函数的区别

参数传递方式的区别

使用方式的区别

结构体的trait

#[derive(Debug)]

例1：

例2：

自定义打印宏 

1. impl fmt::Debug for Student

2. impl fmt::Display for Student

#[derive(PartialEq)]

例1：

例2：

#[derive(Default)]

例1：

例2：

#[derive(Clone)]

其他相关内容

模式匹配

例1：

例2：

结构体大小

1. std::mem::size_of

2. std::mem::size_of_val

本文总结

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结构体（Struct）

是一种自定义数据类型，允许将多个相关的值组合在一起，形成一个更复杂的数据结构。结构体被广泛应用于组织和管理数据，具有灵活性和强大的表达能力。

定义与声明

结构体定义

在Rust中，定义和声明结构体的语法如下：

struct Name {  field1: Type1,  field2: Type2,  // ...  fieldN: TypeN,  
}

其中，Name是结构体的名称，每个数据名及其对应的数据类型组成一个字段，field1到fieldN是结构体的字段名称，Type1到TypeN是字段的数据类型。

通过关键字 struct 定义，指定结构体名称，结构体内用 field:type, 表示字段名称及数据类型，注意rust语言不能在定义的同时进行赋值，且用逗号分隔各字段，不像c/c++用分号。

结构体中可以根据需要定义字段个数，理论上要多少就定义多少；但实际上字段太多，结构体也会变得很占空间，对程序的空间效率是个负担。

结构体实例

如以下代码定义了一个名为Point的结构体，包含x和y两个字段，类型分别为i32和f64：

struct Point {
    x: i32,
    y: f64,
}

定义结构体后，可以像使用其他类型一样使用它。例如，可以声明一个Point类型的变量，并为其字段赋值：

let my_point = Point { x: 10, y: 20.0 };

使用结构体时，用成员运算符 my_point.x 来调用对应字段的值：

println!("({},{})", point.x, point.y);    // 输出：(10,20)

可变实例

需要变动字段的值，在声明时需要用 let mut，如：

struct Point {  x: i32,  y: f64,  
}fn main() {let mut point = Point { x: 10, y: 20.0 }; point.x = 5;println!("({},{})", point.x, point.y);  // 输出：(5,20)
}

结构体分类

在Rust中，结构体（Struct）可以按照不同的方式进行分类，以下是一些常见的分类方式：

单元结构体（Unit Struct）

这种结构体没有任何字段，它只是用于表示一个空的类型。这种结构体通常用于作为其他结构体的组成部分或返回类型。例如：

struct UnitStruct;

元组结构体（Tuple Struct）

这种结构体包含一组字段，可以通过元组语法来访问每个字段。元组结构体可以用于表示简单的数据集合，不使用大括号{}，而是使用元组的小括号()。例如：

struct TupleStruct(i32, String);

相当字段数据没有名称的结构体，访问时使用索引。如：

struct Point (i32, f64);fn main() {let mut point = Point(10, 20.0); point.0 = 5;println!("({},{})", point.0, point.1);  
}

具名结构体（Named Struct）

这种结构体有一个显式的名称，并且包含一组字段。具名结构体可以用于表示复杂的数据结构，例如一个包含多个字段的对象，本文的示例大多数都为具名结构体，用法已在本文开头讲过：

struct MyStruct {  
    field1: i32,  
    field2: String,  
    // ...  
}

除了以上三种常见的结构体类型，Rust还支持其他特殊类型的结构体，例如带有泛型参数的结构体、具名元组结构体（Named Tuple Struct）和结构体路径（Struct Type Alias）等。

需要注意的是，在Rust中，结构体的分类并不是强制性的，也就是说，一个结构体可以包含任意类型的字段，并且可以在任何地方使用。这使得结构体非常灵活，可以用于实现各种复杂的数据结构。

结构体字段的数据类型可以是以下常见的rust数据，甚至可以是函数、引用、指针类型。

1. 标量类型（Scalar Types）：

   • 整数类型（Integer Types）：包括有符号整数类型和无符号整数类型。常见的整数类型有 i8、i16、i32、i64、i128 表示有符号整数，u8、u16、u32、u64、u128 表示无符号整数。此外，还有 isize 和 usize，它们根据平台的位数自动调整大小。
   • 浮点数类型（Floating-Point Number Types）：包括 f32 和 f64 两种类型，表示单精度和双精度浮点数。
   • 布尔类型（Boolean Type）：只有两个取值，true 和 false。
   • 字符类型（Character Type）：表示单个 Unicode 字符，通常存储为 4 个字节。

2. 复合类型（Composite Types）：

   • 数组类型（Array Types）：由相同类型的元素组成的有限集合。可以通过固定长度或动态长度来定义数组。
   • 切片类型（Slice Types）：对一个连续的内存块进行引用，可以看作是动态数组。切片类型提供了访问和操作数据的一种高效方式。
   • 元组类型（Tuple Types）：一种将多个不同类型的值组合在一起的数据结构，用圆括号和逗号分隔的元素序列表示。元组可以包含不同类型的元素，例如整数、浮点数、布尔值、字符串等。
   • 结构体类型（Struct Types）：一种自定义的数据类型，可以包含多个不同类型的字段。结构体可以通过定义来指定其字段和属性。
   • 枚举类型（Enum Types）：表示一个可能取多个值的变量。在 Rust 中，枚举类型使用 enum 关键字定义，每个可能的取值都是一个不同的枚举成员。

结构体嵌套

一个结构体可以包含任意类型的字段，当然也包括结构体。

在以下这个例子中，Address 结构体包含了 street、city 和 state 三个字段，而 Person 结构体则包含了 name、age 和 address 三个字段，其中 address 字段的类型是 Address 结构体。

struct Address {  street: String,  city: String,  state: String,  
}  struct Person {  name: String,  age: u8,  address: Address,  
}

结构体方法

方法（method）是在结构体上定义的功能，可以访问结构体的字段并执行一些操作。使用关键字impl，结构体可以对应一个或多个impl代码块。

例1：结构体转换为字符串描述

struct Student {name:String,age:u32,school:String,major:String,grade:String,state:bool
}impl Student {  fn to_string(&self) -> String {  format!("Student {{ name: {}, age: {}, school: {}, major: {}, grade: {}, state: {} }}", self.name, self.age, self.school, self.major, self.grade, self.state)  }  
} fn main() {let school = String::from("东南大学");let major = String::from("土木工程学院");let s = Student{name:String::from("杨程"),age:22,school,major,grade:String::from("大三"),state:true};println!("{}", s.to_string());
}

输出：

Student { name: 杨程, age: 22, school: 东南大学, major: 土木工程学院, grade: 大三, state: true }

注意：上例中有一个rust结构体的特殊用法，使用同名变量在结构体外为对应字段赋值。

例2：矩形的周长和面积

struct Rectangle {  width: f32,  height: f32,  
}  impl Rectangle {  // 构造函数  fn new(width: f32, height: f32) -> Rectangle {  Rectangle { width, height }  }  // 计算矩形的面积  fn area(&self) -> f32 {  self.width * self.height  }  // 计算矩形的周长  fn perimeter(&self) -> f32 {  (self.width + self.height) * 2.0}  
}impl Rectangle {  // 判断矩形是否相等  fn is_equal(&self, other: &Rectangle) -> bool {  self.width == other.width && self.height == other.height  }  
}  fn main() {  let rect1 = Rectangle::new(5.0, 6.0);  let rect2 = Rectangle::new(5.0, 6.0);  println!("Rectangle 1 area: {}", rect1.area());  println!("Rectangle 1 perimeter: {}", rect1.perimeter());  println!("Rectangle 2 area: {}", rect2.area());  println!("Rectangle 2 perimeter: {}", rect2.perimeter());  if rect1.is_equal(&rect2) {  println!("Rectangles are equal");  } else {  println!("Rectangles are not equal");  }  
}

输出：

Rectangle 1 area: 30
Rectangle 1 perimeter: 22
Rectangle 2 area: 30
Rectangle 2 perimeter: 22
Rectangles are equal 

例3：结构体字段的更新与输出

struct Person {  name: String,  age: u32,  
}  impl Person {  // 这是构造函数，用于创建一个新的 Person 实例  fn new(name: String, age: u32) -> Person {  Person { name, age }  }  fn say_hello(&self) {  println!("Hello, my name is {} and I'm {}.", self.name, self.age);  }  fn update_age(&mut self, new_age: u32) {  self.age = new_age;  } fn update_name(&mut self, new_name: String) {  self.name = new_name;  }  
}  fn main() {  // 创建一个新的 Person 实例  let mut person = Person::new("Tom".to_string(), 5);  // 调用 say_hello 方法，输出 Person 的信息  person.say_hello();  // 调用 update_age 方法，更新 Person 的年龄  person.update_age(3);  // 再次调用 say_hello 方法，输出更新后的信息  person.say_hello(); person.update_age(5);person.update_name(String::from("Jerry"));  person.say_hello();  
}

输出：

Hello, my name is Tom and I'm 5.
Hello, my name is Tom and I'm 3.
Hello, my name is Jerry and I'm 5.

关联函数

之所以"结构体方法"不叫"结构体函数"是因为"函数"这个名字留给了这种函数：它在 impl 块中却没有 &self 参数。这种函数不依赖实例，但是使用它需要声明是在哪个 impl 块中的，比如上小节例2和例3中的构造函数new()就是关联函数，类似于字符串函数String::new()，String::from("Jerry")。

示例：

#[derive(Debug,Clone)]
struct Rectangle {width: u32,height: u32,
}impl Rectangle {fn create(width: u32, height: u32) -> Rectangle {Rectangle { width, height }}fn area(self) -> u32 {self.width * self.height}fn area2(&self) -> u32 {self.width * self.height}
}fn main() {let rect = Rectangle::create(30, 50);println!("{:?}", rect);println!("Area: {}", Rectangle::area(rect.clone()));println!("Area: {}", rect.area2());
}

输出：

Rectangle { width: 30, height: 50 }
Area: 1500
Area: 1500

结构体方法与关联函数的区别

参数传递方式的区别

结构体方法：结构体方法默认情况下是可变的（mutable），也就是说可以修改结构体的字段。在调用方法时，可以通过引用（&self）或可变引用（&mut self）来传递结构体实例，以便修改其字段。例如：my_struct.my_method(&mut my_struct)。

关联函数：关联函数默认情况下是不可变的（immutable），也就是说无法修改结构体的字段。在调用函数时，只能通过常量引用（&self）来传递结构体实例，因为常量引用是只读的。例如：let my_struct = MyStruct {...}; my_struct.my_function()。

使用方式的区别

结构体方法：结构体方法可以直接在结构体实例上调用，无需显式传递结构体实例。例如：my_struct.my_method()。

关联函数：关联函数需要显式传递结构体实例作为参数。例如：MyStruct::my_function(my_struct)。

结构体的trait

Rust 中的 trait 是一种抽象类型，用于定义泛型行为，trait 可以理解为一种接口。trait 使用关键字 derive 来自动生成实现。通过使用 derive，可以避免手动编写冗长的代码，提高代码的可读性和可维护性。trait 有很多，比如Copy，Clone，Debug，Default，Drop，Hash，Ord，PartialOrd，Send，Sync等等，先挑几种最常用的学一下：

#[derive(Debug)]

在 Rust 语言中用于自动生成一个结构体的 Debug 实现，Debug 是 Rust 标准库中的一个 trait，用于在控制台打印调试信息。

使用 #[derive(Debug)] 属性可以为结构体自动生成一个 Debug 实现，这样在需要打印调试信息时，就可以使用 {:?} 格式化字符串来打印该结构体的内容。例如，在上面的代码中，s 结构体的 Debug 实现已经被自动生成，因此可以使用 println!("{:?}", s) 来打印出结构体 s 的内容。

例1：

#[derive(Debug)]
struct Point {x: i32,y: i32,
}impl Point {fn distance(&self, other: &Point) -> f32 {let x_diff = self.x - other.x;let y_diff = self.y - other.y;((x_diff * x_diff + y_diff * y_diff) as f32).sqrt()}
}fn main() {let p1 = Point { x: 3, y: 0 };let p2 = Point { x: 0, y: 4 };println!("Distance between {:?} and {:?} is {}.", p1, p2, p1.distance(&p2));
}

输出：

Distance between Point { x: 3, y: 0 } and Point { x: 0, y: 4 } is 5. 

例2：

#[derive(Debug)]
struct Student {name: String,age: u32,school: String,major: String,grade: String,state: bool,
}  impl Student {fn new() -> Student {return Student {age: 0,name: String::new(),school: String::from(""),major: "".to_string(),grade: "".to_string(),state: false,};}
}fn main() {  let mut s = Student::new();s.name = String::from("杨程");s.age = 22;s.school = String::from("东南大学");s.major = String::from("土木工程学院");s.grade = String::from("大三");s.state = true;println!("{:?}", s);
}

输出：

Student { name: "杨程", age: 22, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大三", state: true } 

与上一小节的例2对比，输出内容基本一致，就多了String的引号标记。相比自动生成 Debug 实现可以简化代码编写过程，并且可以避免手动实现 Debug 时可能出现的错误。

在本例中，使用宏打印结构体println!("{:?}", s);时，第一行的代码#[derive(Debug)]是必须的，如果去掉就会报错：

error[E0277]: `Student` doesn't implement `Debug`
  --> E:\.rs\struct2.rs:31:22
   |
31 |     println!("{:?}", s);
   |                      ^ `Student` cannot be formatted using `{:?}`
   |
   = help: the trait `Debug` is not implemented for `Student`
   = note: add `#[derive(Debug)]` to `Student` or manually `impl Debug for Student`
   = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider annotating `Student` with `#[derive(Debug)]`
   |
1  + #[derive(Debug)]
2  | struct Student {
   |

error: aborting due to previous error

自定义打印宏 

1. impl fmt::Debug for Student

返回值：fmt::Result； 调用：println!("{:?}", s);

use std::fmt;struct Student {name: String,age: u32,school: String,major: String,grade: String,state: bool,
}  impl fmt::Debug for Student {  fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {write!(f,"Student {{ name: {}, age: {}, school: {}, major: {}, grade: {}, state: {} }}",self.name, self.age, self.school, self.major, self.grade, self.state)}  
}  fn main() {  let school = String::from("东南大学");let major = String::from("土木工程学院");let s = Student {name: String::from("杨程"),age: 22,school,major,grade: String::from("大三"),state: true,};  println!("{:?}", s);
}

输出：

Student { name: 杨程, age: 22, school: 东南大学, major: 土木工程学院, grade: 大三, state: true }  

2. impl fmt::Display for Student

返回值：fmt::Result； 调用：println!("{}", s); {}里不需要:?

use std::fmt;struct Point {x: i32,y: i32,
}impl fmt::Display for Point {fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {write!(f, "({}, {})", self.x, self.y)}
}impl Point {fn distance(&self, other: &Point) -> f32 {let x_diff = self.x - other.x;let y_diff = self.y - other.y;((x_diff * x_diff + y_diff * y_diff) as f32).sqrt()}
}fn main() {let p1 = Point { x: 3, y: 0 };let p2 = Point { x: 0, y: 4 };println!("Distance between {} and {} is {}.", p1, p2, p1.distance(&p2));
}

输出：

Distance between Point(3, 0) and Point(0, 4) is 5.

输出要与使用#[derive(Debug)]时一样，只要修改write宏的第2个参数，如：

impl fmt::Display for Point {fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {write!(f, "Point {{ x: {}, y: {} }}", self.x, self.y)}
}

#[derive(PartialEq)]

使用#[derive(PartialEq)]为结构体自动实现了PartialEq trait。这使得可以直接使用==运算符比较两个结构体实例的相等性。

例1：

#[derive(PartialEq)]
struct Point {  x: i32,  y: i32,  
}fn main() {let point1 = Point { x: 10, y: 20 };  let point2 = Point { x: 10, y: 20 };  if point1 == point2 {  println!("The two points are equal.");  } else {  println!("The two points are not equal.");  }
}

输出：

The two points are equal.

例2：

#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Person {name: String,age: u32,
}fn main() {let person1 = Person {name: String::from("Alice"),age: 25,};let person2 = Person {name: String::from("Bob"),age: 30,};let person3 = Person {name: String::from("Alice"),age: 25,};println!("Is {:?} equal to {:?}? {}", person1, person2, person1 == person2);println!("Is {:?} equal to {:?}? {}", person1, person3, person1 == person3);
}

输出：

Is Person { name: "Alice", age: 25 } equal to Person { name: "Bob", age: 30 }? false
Is Person { name: "Alice", age: 25 } equal to Person { name: "Alice", age: 25 }? true

#[derive(Default)]

调用#[derive(Default)]，相当于创建一个默认的结构体实例，每一个字段都是对应数据类型的默认值，无需手动为每个字段设置默认值。

例1：

#[derive(Default,Debug)]
struct Circle {radius: f32,
}  impl Circle {fn area(&self) -> f32 {let pi = std::f32::consts::PI;pi * self.radius * self.radius}
}fn main() {let mut c = Circle::default();println!("Circular area of {:?} = {}.", c, c.area());c.radius = 1.0;println!("Circular area of {:?} = {}.", c, c.area());
}

输出：

Circular area of Circle { radius: 0.0 } = 0.
Circular area of Circle { radius: 1.0 } = 3.1415927.

例2：

#[derive(Debug, Default)]
struct Student {  name: String,  age: u32,  school: String,  major: String,  grade: String,  state: bool,  
}  fn main() {  let mut s1 = Student::default(); println!("{:?}", s1);s1.name = String::from("杨程");  s1.age = 22;  s1.school = String::from("东南大学");  s1.major = String::from("土木工程学院");  s1.grade = String::from("大三");  s1.state = true;  println!("{:?}", s1);  let s2 = Student {  age: 23,  grade: String::from("大四"),  ..s1  //注意这里的结构体更新语法};  println!("{:?}", s2);  
}

输出：

Student { name: "", age: 0, school: "", major: "", grade: "", state: false }
Student { name: "杨程", age: 22, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大三", state: true }
Student { name: "杨程", age: 23, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大四", state: true }

此例还有一个rust结构体的特殊用法，当结构体大部分字段需要被设置成与现存的另一个结构体的一样，仅需更改其中的一两个字段的值，可以使用结构体更新语法，在现存的结构体名前加上两个连续的句号：“..Struct_Name”。

#[derive(Clone)]

Clone 在复制过程中对所有字段进行逐个复制，包括所有引用类型和原始类型。这意味着每次进行克隆时，都会创建新的数据副本。 

示例：

#[derive(Clone)]
struct Person {  name: String,  age: i32,  
}  fn main() {  let mut person1 = Person { name: String::new(), age: 0 };  let mut person2 = person1.clone();person1.name = "Alice".to_string();person1.age = 22;println!("Person 1: {}, {}", person1.name, person1.age);println!("Person 2: {}, {}", person2.name, person2.age);person2 = person1.clone();println!("Person 2: {}, {}", person2.name, person2.age);
}

输出：

Person 1: Alice, 22
Person 2: , 0
Person 2: Alice, 22

其他相关内容

模式匹配

结构体可用 模式匹配（Pattern Matching）来解构和访问其字段。

例1：

struct Point {x: i32,y: i32,
}fn main() {let p = Point { x: 10, y: 20 };match p {Point { x, y } => {println!("x:{}, y: {}", x, y);}}
}

例2：

struct Time {  hour: i32,  minute: i32,  second: i32,  
}  fn main() {  let t = Time { hour: 10, minute: 30, second: 45 };  match t {  Time { hour, minute, second } => {  print!("The time is {}:", hour);println!("{}:{}", minute, second);  }  }  
}

结构体大小

结构体的大小在C/C++中使用运算符 sizeof 来计算；在Rust语言中，则使用标准库中的一个模块std::mem::中的size_of和size_of_val，它提供了与内存管理相关的函数。

1. std::mem::size_of

用于计算给定类型的大小，不接受任何参数。这个函数返回一个给定类型的大小（以字节为单位）。它是一个泛型函数，可以用于任何类型。

示例：

#![allow(dead_code)]struct Point {x: i32,y: i32,
}  struct Person {name: String,age: i32,height: f32,is_employed: bool,
}  fn main() {let point = Point { x: 10, y: 20 };  println!("Size of Point: {}", std::mem::size_of::<Point>());let person = Person {name: "Hann Yang".to_string(),age: 50,height: 1.72,is_employed: true,};  println!("Size of Person: {}", std::mem::size_of::<Person>());
}

输出：

Size of Point: 8
Size of Person: 40 

2. std::mem::size_of_val

用于计算给定值的大小，接受一个值作为参数。它用于获取一个值的大小（以字节为单位）。与 size_of 函数不同的是，size_of_val 函数可以用于任何值，而非类型。

示例：

#![allow(dead_code)]struct Point {x: i32,y: i32,
}  struct Person {name: String,age: i32,height: f32,is_employed: bool,
}  fn main() {let point = Point { x: 10, y: 20 };  println!("Size of Point: {}", std::mem::size_of_val(&point));let person = Person {name: "Hann Yang".to_string(),age: 50,height: 1.72,is_employed: true,};  println!("Size of Person: {}", std::mem::size_of_val(&person));
}

输出：

Size of Point: 8
Size of Person: 40 

注意：在这两个例子中，计算类型大小和值大小的结果都是相同的，因为这里没有涉及到指针或其他复杂的情况。 

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本文总结

结构体是Rust中一种重要的数据结构，用于组织不同类型的字段。以下是结构体的重点内容的总结：

• 结构体定义：使用struct关键字来定义结构体，结构体可以包含多个字段，每个字段可以有不同的类型。
• 结构体实例：定义一个结构体后，可以使用结构体名称来创建结构体实例，通过.运算符来访问结构体字段。
• 结构体分类：结构体可以分为三种类型：单元结构体（()）、元组结构体（用逗号分隔的多个字段）和具名结构体（有自定义名称的字段）。
• 结构体嵌套：结构体可以嵌套，用于组织和存储复杂的数据。
• 结构体方法：结构体可以定义方法，用于在结构体上执行操作。结构体方法与关联函数类似，但只能在结构体上调用。
• 关联函数：通过impl关键字在结构体上定义关联函数，用于在结构体实例上执行特定操作。关联函数可以是普通函数或方法。
• 自定义打印宏：使用derive(Debug)]来自动实现fmt::Debug trait，实现自定义的打印输出格式。
• 其他相关内容：结构体可以通过derive属性来自动实现其他trait，如PartialEq（部分相等性）、Default（默认值）和Clone（克隆）。
• 结构体大小：在Rust中，结构体的内存大小是固定的，可以在定义时指定大小，也可以使用#[repr(C)]来指定大小和布局。
• 模式匹配：可以使用模式匹配来访问和匹配结构体的字段，这使得在编写代码时更加灵活和方便。

总的来说，结构体是Rust中非常强大和灵活的数据结构，可以用于组织和操作各种类型的数据。通过使用结构体、方法、关联函数和其他相关特性，可以轻松地实现复杂的数据结构和算法。