面向对象语言的特征

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关于一个语言被称为面向对象所需的功能,在编程社区内并未达成一致意见。Rust 被很多不同的编程范式影响,包括面向对象编程;比如第十三章提到了来自函数式编程的特性。面向对象编程语言所共享的一些特性往往是对象、封装和继承。让我们看一下这每一个概念的含义以及 Rust 是否支持他们。

对象包含数据和行为

由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides(Addison-Wesley Professional, 1994)编写的书 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software 被俗称为 The Gang of Four,它是面向对象编程模式的目录。它这样定义面向对象编程:

Object-oriented programs are made up of objects. An object packages both data and the procedures that operate on that data. The procedures are typically called methods or operations.

面向对象的程序是由对象组成的。一个 对象 包含数据和操作这些数据的过程。这些过程通常被称为 方法操作

在这个定义下,Rust 是面向对象的:结构体和枚举包含数据而 impl 块提供了在结构体和枚举之上的方法。虽然带有方法的结构体和枚举并不被 称为 对象,但是他们提供了与对象相同的功能,参考 Gang of Four 中对象的定义。

封装隐藏了实现细节

另一个通常与面向对象编程相关的方面是 封装encapsulation)的思想:对象的实现细节不能被使用对象的代码获取到。所以唯一与对象交互的方式是通过对象提供的公有 API;使用对象的代码无法深入到对象内部并直接改变数据或者行为。封装使得改变和重构对象的内部时无需改变使用对象的代码。

就像我们在第七章讨论的那样:可以使用 pub 关键字来决定模块、类型、函数和方法是公有的,而默认情况下其他一切都是私有的。比如,我们可以定义一个包含一个 i32 类型 vector 的结构体 AveragedCollection。结构体也可以有一个字段,该字段保存了 vector 中所有值的平均值。这样,希望知道结构体中的 vector 的平均值的人可以随时获取它,而无需自己计算。换句话说,AveragedCollection 会为我们缓存平均值结果。示例 17-1 有 AveragedCollection 结构体的定义:

文件名: src/lib.rs


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}
#}

示例 17-1: AveragedCollection 结构体维护了一个整型列表和集合中所有元素的平均值。

注意,结构体自身被标记为 pub,这样其他代码就可以使用这个结构体,但是在结构体内部的字段仍然是私有的。这是非常重要的,因为我们希望保证变量被增加到列表或者被从列表删除时,也会同时更新平均值。可以通过在结构体上实现 addremoveaverage 方法来做到这一点,如示例 17-2 所示:

文件名: src/lib.rs


# #![allow(unused_variables)]
#fn main() {
# pub struct AveragedCollection {
#     list: Vec<i32>,
#     average: f64,
# }
impl AveragedCollection {
    pub fn add(&mut self, value: i32) {
        self.list.push(value);
        self.update_average();
    }

    pub fn remove(&mut self) -> Option<i32> {
        let result = self.list.pop();
        match result {
            Some(value) => {
                self.update_average();
                Some(value)
            },
            None => None,
        }
    }

    pub fn average(&self) -> f64 {
        self.average
    }

    fn update_average(&mut self) {
        let total: i32 = self.list.iter().sum();
        self.average = total as f64 / self.list.len() as f64;
    }
}
#}

示例 17-2: 在AveragedCollection 结构体上实现了addremoveaverage 公有方法

公有方法 addremoveaverage 是修改 AveragedCollection 实例的唯一方式。当使用 add 方法把一个元素加入到 list 或者使用 remove 方法来删除时,这些方法的实现同时会调用私有的 update_average 方法来更新 average 字段。

listaverage 是私有的,所以没有其他方式来使得外部的代码直接向 list 增加或者删除元素,否则 list 改变时可能会导致 average 字段不同步。average 方法返回 average 字段的值,这使得外部的代码只能读取 average 而不能修改它。

因为我们已经封装好了 AveragedCollection 的实现细节,将来可以轻松改变类似数据结构这些方面的内容。例如,可以使用 HashSet 代替 Vec 作为 list 字段的类型。只要 addremoveaverage 公有函数的签名保持不变,使用 AveragedCollection 的代码就无需改变。相反如果使得 list 为公有,就未必都会如此了: HashSetVec 使用不同的方法增加或移除项,所以如果要想直接修改 list 的话,外部的代码可能不得不做出修改。

如果封装是一个语言被认为是面向对象语言所必要的方面的话,那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分使用 pub 与否可以封装其实现细节。

继承,作为类型系统与代码共享

继承Inheritance)是一个很多编程语言都提供的机制,一个对象可以定义为继承另一个对象的定义,这使其可以获得父对象的数据和行为,而无需重新定义。

如果一个语言必须有继承才能被称为面向对象语言的话,那么 Rust 就不是面向对象的。无法定义一个结构体继承父结构体的成员和方法。然而,如果你过去常常在你的编程工具箱使用继承,根据你最初考虑继承的原因,Rust 也提供了其他的解决方案。

选择继承有两个主要的原因。第一个是为了重用代码:一旦为一个类型实现了特定行为,继承可以对一个不同的类型重用这个实现。相反 Rust 代码可以使用默认 trait 方法实现来进行共享,在示例 10-14 中我们见过在 Summary trait 上增加的 summarize 方法的默认实现。任何实现了 Summary trait 的类型都可以使用 summarize 方法而无须进一步实现。这类似于父类有一个方法的实现,而通过继承子类也拥有这个方法的实现。当实现 Summary trait 时也可以选择覆盖 summarize 的默认实现,这类似于子类覆盖从父类继承的方法实现。

第二个使用继承的原因与类型系统有关:表现为子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 多态polymorphism),这意味着如果多种对象共享特定的属性,则可以相互替代使用。

多态(Polymorphism)

很多人将多态描述为继承的同义词。不过它是一个有关可以用于多种类型的代码的更广泛的概念。对于继承来说,这些类型通常是子类。 Rust 则通过泛型来使得对多个不同类型的抽象成为可能,并通过 trait bounds 加强对这些类型所必须提供的内容的限制。这有时被称为 bounded parametric polymorphism

近来继承作为一种语言设计的解决方案在很多语言中失宠了,因为其时常带有共享多于所需的代码的风险。子类不应总是共享其父类的多有特征,但是继承却始终如此。如此会使程序设计更为不灵活,并引入无意义的子类方法调用,或由于方法实际并不适用于子类而造成错误的可能性。某些语言还只允许子类继承一个父类,进一步限制了程序设计的灵活性。

因为这些原因,Rust 选择了一个不同的途径,使用 trait 对象替代继承。让我们看一下 Rust 中的 trait 对象是如何实现多态的。