【Rust自学】19.2. 高级trait：关联类型、默认泛型参数和运算符重载、完全限定语法、supertrait和newtype

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19.2.1. 在trait定义中使用关联类型来指定占位类型

我们首先在第10章的10.3. trait Pt.1：trait的定义、约束与实现和 10.4. trait Pt.2：trait作为参数和返回类型、trait bound 中介绍了trait，但我们没有讨论更高级的细节。现在我们来深入了解

关联类型(associated type)是trait中的类型占位符，它可以用于trait方法的签名中。它用于定义出包某些类型的trait，而在实现前无需知道这些类型是什么。

看个例子：

rust 复制代码

pub trait Iterator {
    type Item;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}

标准库中的负责迭代器部分的iterator trait(详见 13.8. 迭代器 Pt.4：创建自定义迭代器)就是一个带有关联类型的trait，其定义如上。

Item就是关联类型。在迭代过程中使用Item类型来替代实际出现的值以完成逻辑和实际数据类型分离的目的。可以看到next方法的返回值Option<Self:Item>就出现了Item。

Item就是所谓的类型占位符，其核心思想与泛型有点像，但区别也是有的：

泛型	关联类型
每次实现 Trait 时标注类型	无需标注类型
可以为一个类型多次实现某个 Trait（不同的泛型参数）	无法为单个类型多次实现某个 Trait

19.2.2. 默认泛型参数和运算符重载

我们可以在使用泛型参数时为泛型指定一个默认的具体类型。它的语法是<PlaceholderType=ConcreteType>。这种技术常用于运算符重载(operator overloading)。

虽然Rust不允许创建自己的运算符及重载任意的运算符，但是可以通过实现std::ops中列出的那些trait来重载一部分相应的运算符。

看个例子：

rust 复制代码

use std::ops::Add;

#[derive(Debug, Copy, Clone, PartialEq)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

impl Add for Point {
    type Output = Point;

    fn add(self, other: Point) -> Point {
        Point {
            x: self.x + other.x,
            y: self.y + other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    assert_eq!(
        Point { x: 1, y: 0 } + Point { x: 2, y: 3 },
        Point { x: 3, y: 3 }
    );
}

我们在这个例子中为point结构体实现了Add trait，也就是重载了+这个运算符，具体来说就是Add trait下的add函数把每个字段分别相加
主函数里就可以直接使用+来把两个Point类型相加

Add trait的定义如下：

rust 复制代码

trait Add<Rhs=Self> {
    type Output;

    fn add(self, rhs: Rhs) -> Self::Output;
}

它就使用了默认的泛型参数类型Rhs=Self。也就是说当我们实现Add trait时如果没有为Rhs指定一个具体的类型，那么Rhs的类型就默认为Self，所以上文的例子中的Rhs就是Point。

再看一个例子，这回我们想要实现毫米和米相加的例子：

rust 复制代码

use std::ops::Add;

struct Millimeters(u32);
struct Meters(u32);

impl Add<Meters> for Millimeters {
    type Output = Millimeters;

    fn add(self, other: Meters) -> Millimeters {
        Millimeters(self.0 + (other.0 * 1000))
    }
}

这里先通过结构体字段声明了Millimeters和Meters，分别表示毫米和米。
下文为Millimeters实现了Add trait，其中又通过<Meters>显式地指明了类型被设定为Meters了。add函数中通过本身的毫米和传进来的米乘1000相加得出来以毫米计数的值。

19.2.3. 默认泛型参数的主要应用场景

扩展一个类型而不破坏现有代码
允许在大部分用户都不需要的特定场景下进行自定义

19.2.4. 完全限定语法(Fully Qualified Syntax)如何调用同名方法

直接看例子：

rust 复制代码

trait Pilot {
    fn fly(&self);
}

trait Wizard {
    fn fly(&self);
}

struct Human;

impl Pilot for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("This is your captain speaking.");
    }
}

impl Wizard for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("Up!");
    }
}

impl Human {
    fn fly(&self) {
        println!("*waving arms furiously*");
    }
}

定义了两个trait，分别叫Pilot和Wizard，都有一个fly方法，没有具体实现
有一个结构体叫Human，我们在下文为它分别实现了那两个trait，也就是分别为两个trait写了fly方法。除此之外，还通过impl块为结构体本身实现了fly方法。

这个时候一共有三个fly方法，如果我们在主函数中调用：

rust 复制代码

fn main() {
    let person = Human;
    person.fly();
}

运行这段代码会打印出*waving arms furiously* ，表明Rust直接调用了Human上实现的fly方法。

要从Pilot trait或Wizard trait调用fly方法，我们需要使用更明确的语法来指定我们指的是哪个fly方法:

rust 复制代码

fn main() {
    let person = Human;
    Pilot::fly(&person);
    Wizard::fly(&person);
    person.fly();
}

在方法名称之前指定特征名称可以向 Rust 阐明我们要调用哪个fly实现。person.fly()也可以写 Human::fly(&person)。

输出：

This is your captain speaking.
Up!
*waving arms furiously*

但是，不是方法的关联函数没有self 范围。当有多个类型或trait定义的方法具有相同函数名时，Rust 并不总是知道指的是哪种类型，除非使用完全限定语法：

rust 复制代码

trait Animal {
    fn baby_name() -> String;
}

struct Dog;

impl Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("Spot")
    }
}

impl Animal for Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("puppy")
    }
}

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", Dog::baby_name());
}

Animal trait有baby_name方法。Dog是一个结构体，实现了Animal trait，同时也通过impl块实现了baby_name方法。这是一共就有两个baby_name方法。
在主函数里使用了Dog::baby_name()，按照上文的逻辑就应该执行Dog的impl块实现的baby_name方法，也就是输出"Spot"。

输出：

A baby dog is called a Spot

那怎么实现Dog实现的Animal trait上的baby_name方法呢？我们试试使用上一个例子的逻辑：

rust 复制代码

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
}

输出：

error[E0790]: cannot call associated function on trait without specifying the corresponding `impl` type
  --> src/main.rs:20:43
   |
2  |     fn baby_name() -> String;
   |     ------------------------- `Animal::baby_name` defined here
...
20 |     println!("A baby dog is called a {}", Animal::baby_name());
   |                                           ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ cannot call associated function of trait
   |
help: use the fully-qualified path to the only available implementation
   |
20 |     println!("A baby dog is called a {}", <Dog as Animal>::baby_name());
   |                                           +++++++       +

For more information about this error, try `rustc --explain E0790`.
error: could not compile `traits-example` (bin "traits-example") due to 1 previous error

Animal trait上的baby_name函数的执行需要知道是哪个类型上的实现，但是baby_name这个方法又没有参数，所以不知道是哪个类型上的实现。

针对这种情况就得使用完全限定语法。其形式为：

rust 复制代码

<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);

这种语法可以在任何调用函数或方法的地方使用，并且它允许忽略那些从其它上下文推导出来的部分。

但是这种语法只有在Rust无法区分你期望调用哪个具体实现的时候才需要使用这种语法，因为这种语法写起来太麻烦了，所以轻易不使用。

根据这个语法上面的代码就应该这么改：

rust 复制代码

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", <Dog as Animal>::baby_name());
}

输出：

A baby dog is called a puppy

19.2.5. 使用supertrait来要求trait附带其它trait的功能

有时候我们可能会需要在一个trait中使用其它trait的功能，也就是说间接依赖的trait也需要被实现。而那个被间接依赖的trait就是当前trait的supertrait。

看个例子：

rust 复制代码

use std::fmt;

trait OutlinePrint: fmt::Display {
    fn outline_print(&self) {
        let output = self.to_string();
        let len = output.len();
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("* {output} *");
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
    }
}

OutlinePrint实际上是用来在终端通过字符打印一个图形的。但是在打印过程中必须要求self实现了to_string方法，也就是要求self实现了Display trait(to_string是Display trait下的方法)。其写法就是trait关键字 + trait名字 + : + supertrait。

假如我们有一个结构体Point，想要通过OutlinePrint trait的outline_print函数在终端打印出来。又因为OutlinePrint trait需要Display trait的函数，所以得为它同时实现OutlinePrint trait和Display trait，不然就会报错：

rust 复制代码

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

use std::fmt;

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

impl OutlinePrint for Point {}

19.2.6. 使用newtype模式在外部类型上实现外部trait

我们之前讲过一个孤儿规则：只有当trait或类型定义在本地包时，才能为该类型实现这个trait。而我们可以使用newtype模式来绕过这一规则，具体来说就是利用元组结构体来构建一个新的类型放在本地。

看个例子：

我们想为Vector实现Display trait，但是Vector和Display trait都定义在在外部包中，所以无法直接为Vector实现。所以把Vector包裹在自己创建的元组结构体Wrapper里，然后用Wrapper来实现Display trait：

rust 复制代码

use std::fmt;

struct Wrapper(Vec<String>);

impl fmt::Display for Wrapper {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "[{}]", self.0.join(", "))
    }
}

fn main() {
    let w = Wrapper(vec![String::from("hello"), String::from("world")]);
    println!("w = {w}");
}