30天拿下Rust之高级类型

概述

Rust作为一门系统编程语言，以其独特的内存管理方式和强大的类型系统著称。其中，高级类型的应用，为Rust的开发者提供了丰富的编程工具和手段，使得开发者可以更加灵活和高效地进行编程。

Newtype模式

Newtype模式是一种轻量级的设计模式，用于封装和强化类型的行为，提供额外的类型安全和语义清晰度。本质上，Newtype模式通过定义一个新的结构体，其唯一字段就是想要封装的基础类型，从而创建一个新的类型。Newtype模式主要用于以下三个方面。

1、增加类型安全性：通过引入新的类型，避免无意间将一种类型误用为另一种相似但语义不同的类型。

2、提供清晰的语义：新类型的命名可以反映其特定用途或含义，提高代码的可读性和自文档化能力。

3、实现特定行为：通过为新类型添加方法或实现Trait，使其具备与基础类型不同的功能。

在下面的示例代码中，CustomVec封装了Vec<T>，但只提供了push方法，没有提供删除元素的方法，从而限制了用户的操作。同时，CustomVec也隐藏了Vec<T>的内部实现细节，使得其接口更加清晰和易于理解。

struct CustomVec<T>(Vec<T>);

impl<T> CustomVec<T> {
    fn new() -> Self {
        CustomVec(vec![])
    }

    fn push(&mut self, item: T) {
        self.0.push(item)
    }
}

fn main() {
    let mut arr = CustomVec::new();
    arr.push(66);
    arr.push(99);
    arr.push(100);
}

为了进一步理解Newtype模式，我们再来看另一个例子。在下面的示例代码中，我们创建了一个名为Kilometers的新类型，封装了u32类型以表示千米数。通过实现From<u32> Trait，我们可以方便地将米数转换为千米数。此外，我们还为Kilometers结构体添加了一个to_meters方法，用于将千米数转换回米数。这样的封装使得在计算平均速度时，我们无法错误地将米和千米混淆，提高了类型安全性。

struct Kilometers(u32);

impl From<u32> for Kilometers {
    fn from(meters: u32) -> Self {
        Self(meters / 1000)
    }
}

impl Kilometers {
    fn to_meters(&self) -> u32 {
        self.0 * 1000
    }
}

fn calculate_average_speed(distance: Kilometers, time_in_hours: f32) -> f32 {
    distance.0 as f32 / time_in_hours
}

fn main() {
    let distance: Kilometers = Kilometers::from(1000);
    let time = 5.0;

    println!("distance is {} m", distance.to_meters());
    let average_speed = calculate_average_speed(distance, time);
    println!("average speed is {:.2} km/h", average_speed);
}

可以看到，Newtype模式是一种简单而强大的工具。通过创建新的类型封装基础类型，可以增强代码的类型安全性、清晰度和功能性，是编写健壮、易理解且符合语义的Rust代码的重要手段之一。

类型别名

Rust中的类型别名是一种为现有类型创建新名称的机制，旨在提高代码的可读性和可维护性。通过类型别名，你可以给复杂或难以理解的类型赋予更具语义化的名称，使得代码意图更加清晰。在Rust中，使用type关键字来给予现有类型另一个名字。

在下面的示例代码中，Kilometers是i32的同义词，它们的值在内存中是完全相同的。但通过使用别名，我们可以更好地表达数据的含义，提高代码的可读性。

fn main() {
    type Kilometers = i32;  
  
    let x: i32 = 66;  
    let y: Kilometers = 99;
    println!("{} {}", x, y);
}

上面的例子可能过于简单，体现不出类型别名的优点。但当遇到复杂的类型表达式和复杂的泛型类型时，类型别名可以使代码更易于阅读。在下面的示例代码中，我们为(f64, f64)类型创建了一个类型别名Point，使得函数签名和变量声明更易理解。

type Point = (f64, f64);

fn calculate_distance(p1: Point, p2: Point) -> f64 {
    let dx = p1.0 - p2.0;
    let dy = p1.1 - p2.1;
    (dx.powi(2) + dy.powi(2)).sqrt()
}

fn main() {
    let point1 = (3.0, 4.0);
    let point2 = (6.0, 8.0);
    let distance = calculate_distance(point1, point2);
    println!("{}", distance);
}

never type

在Rust中，never type是一种特殊的类型，用!符号表示。never type在Rust中起到了一个重要的作用，即在函数从不返回的时候充当返回值。比如：当使用panic!函数时，程序会立即终止并返回一个never type的值。因此，never type可以帮助开发者明确表示那些永远不会返回的函数或表达式。

需要注意的是，never type不能用于创建实际的值，因为没有任何值可以表示一个永远不会返回的情况。然而，这并不意味着never type没有实际用途。相反，它提供了一种在类型系统中表示发散函数的方式，这些函数永远不会返回正常的结果。

在Rust中，使用never type可以使代码更加清晰和易于理解，特别是在处理错误和异常情况时。通过明确标记那些永远不会返回的函数或表达式，开发者可以更容易地识别和处理潜在的错误和异常情况，从而提高代码的可靠性和健壮性。

在下面的示例代码中，divide函数接受两个i32类型的参数a和b，并返回一个Result<i32, !>类型的值。Result类型是一个枚举，用于表示操作可能成功（Ok）或失败（Err）。然而，在这个特定的divide函数中，如果b为0，我们触发panic，这表示函数将不会返回正常的Result枚举值。因此，我们使用!作为Err的变体类型，表明在这种情况下函数不会返回任何错误值。在main函数中，当我们用非零的b值调用divide时，它会正常返回Ok的结果。然而，如果我们尝试用0作为b的值调用divide，程序会触发panic，并且不会返回任何值。

fn divide(a: i32, b: i32) -> Result<i32, !> {
    if b == 0 {
        panic!("division by zero!");  
    }  

    Ok(a / b)  
}  
  
fn main() {  
    let result = divide(100, 25);  
    match result {  
        Ok(val) => println!("result: {}", val),  
        Err(e) => unreachable!("never be reached"),  
    }  
      
    let _ = divide(66, 0);
}