面向对象语言的特点 - Rust 程序设计语言简体中文版

面向对象语言的特征

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关于一门语言必须具备哪些特征才能被视为面向对象，目前在编程社区中并没有共识。Rust 受到了许多编程范式的影响，包括面向对象编程（OOP）；例如，在第 13 章中，我们探讨了来自函数式编程的特性。可以说，面向对象的语言共有一些共同的特征，即对象、封装和继承。我们将会讨论这些特征分别是什么，以及 Rust 是否支持它们。

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 ，通称 The Gang of Four (“四人帮”)，是一本面向对象设计模式的目录。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.

面向对象的程序由对象组成。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或操作。

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，但是它们提供了与对象相同的功能，参考 The 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关联的概念是封装（encapsulation）：一个对象的实现细节对使用该对象的代码不可访问。因此，对象交互的唯一方式是通过其公共 API；使用对象的代码不应能直接触及对象的内部并改变数据或行为。这使得程序员能够更改和重构一个对象的内部实现，而无需改变使用该对象的代码。

我们在第 7 章讨论了如何控制封装：我们可以使用 pub 关键字来决定代码中的哪些模块、类型、函数和方法是公有的，而默认情况下其他所有内容都是私有的。例如，我们可以定义一个 AveragedCollection 结构体，其中有一个存有 Vec<i32> 的字段。该结构体还可以有一个字段存储其平均值，以便需要时取用。示例 17-1 给出了 AveragedCollection 结构体的定义：

文件名：src/lib.rs

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及其所有元素的平均值。

该结构体被标记为 pub，这样其他代码就可以使用它，但结构体内的字段保持私有。这在这种情况下很重要，因为我们想确保每当列表中添加或删除值时，平均值也会更新。我们通过实现结构体上的 add、remove 和 average 方法来做到这一点，如示例 17-2 所示：

文件名：src/lib.rs

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 add、remove 和 average 公有方法

公有方法 add、remove 和 average 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。

list 和 average 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。

因为我们已经封装了 AveragedCollection 的实现细节，改动数据结构等内部实现非常简单。例如，可以使用 HashSet<i32> 代替 Vec<i32> 作为 list 字段的类型。只要 add、remove 和 average 这些公有方法的签名保持不变，使用 AveragedCollection 的代码就无需改变。如果我们将 list 设为公有，情况就未必如此： HashSet<i32> 和 Vec<i32> 使用不同的方法增加或移除项，所以如果外部代码直接修改 list ，很可能需要进行更改。

如果封装被认为是面向对象语言所必要的特征，那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分控制 pub 的使用来封装实现细节。

继承，作为类型系统与代码共享

继承（Inheritance）是一种机制：一个对象可以从另一个对象的定义中继承元素，从而获得父对象的数据和行为，无需再次定义。

如果一种语言必须具有继承才能被认为是面向对象语言，那么 Rust 不是其中之一。Rust 不支持定义一个结构体时继承父结构体的字段和方法，除非使用宏。

然而，如果您习惯于在编程过程中使用继承，那么根据运用继承的原因，Rust 提供了其他解决方案。

选择继承有两个主要的原因。其一是代码复用：您可以为一种类型实现特定的行为，继承可将其复用到不同的类型上。在 Rust 代码中可以使用默认 trait 方法实现来进行有限的代码复用，就像示例 10-14 中在 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，继承的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方法的实现。

其二与类型系统有关：子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为多态（polymorphism）：如果多个对象共享某些特征，可以在运行时将它们互相替代。

多态（Polymorphism）

对很多人来说，多态性与继承同义。但它实际上是一个更广义的概念，指的是可以处理多种类型数据的代码。对继承而言，这些类型通常是子类。 Rust 使用泛型来抽象不同可能的类型，并通过 trait bounds 来约束这些类型所必须提供的内容。这有时被称为 bounded parametric polymorphism。

作为一种语言设计的解决方案，继承在许多新的编程语言中逐渐不被青睐，因为它经常有分享过多代码的风险。子类不应总是共享父类的所有特征，但是继承始终如此。它还引入了在子类上调用方法的可能性，这些方法可能没有意义，或因为方法不适用于子类而导致错误。此外，一些语言只允许单一继承（意味着子类只能从一个类继承），进一步限制了程序设计的灵活性。

出于这些原因，Rust 使用 trait 对象而非继承。接下来我们会讨论 Rust 如何使用 trait 对象实现多态性。

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面向对象语言的特征

对象包含数据和行为

封装隐藏了实现细节

继承，作为类型系统与代码共享

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