Rust 入门 (五)

定义并介绍结构体

结构体和我们前面学习的元组类似，结构体中的每一项都可以是不同的数据类型。和元组不同的地方在于，我们需要给结构体的每一项命名。结构体较元组的优势是：我们声明和访问数据项的时候不必使用索引，可以直接使用名字。

声明结构体

我们直接看一个结构体的例子：

struct User {
    username: String,
    email: String,
    sign_in_count: u64,
    active: bool,
}

结构体使用关键字 struct 开头，紧跟结构体的名字，之后就是大括号包裹的多条结构体数据项，每个数据项由名字和类型组成，我们把每个数据项称为字段。

结构体实例化

我们声明了一个结构体后，如何使用它呢？接下来创建一个结构体的实例:

let user1 = User {
    email: String::from("someone@example.com"),
    username: String::from("someusername123"),
    active: true,
    sign_in_count: 1,
};

可以看到，创建结构体实例 (结构体实例化) 是直接以结构体名字开头，之后就是大括号包裹的键值对。这些键值对顺序和声明结构体的顺序无关，换句话说，声明结构体就是定义一个通用的模版，结构体实例化就是给模版填充值。

结构体数据的存取

创建了结构体实例，那我们应该如何存取实例中的数据呢？比如我们要获取邮箱信息，可以 user1.email 获取邮箱内容，如果实例是可变的，我们可以直接给它赋值。直接看个赋值的例子吧：

let mut user1 = User {
    email: String::from("someone@example.com"),
    username: String::from("someusername123"),
    active: true,
    sign_in_count: 1,
};

user1.email = String::from("anotheremail@example.com");

这个实例整个都是可变的，如果我只想修改 email 和 username 两个字段，而不想修改其它的字体，应该怎么办呢？

修改部分字段

要知道，rust 不允许我们只把部分字段标记为可变。那我们可不可以把这个结构体放在函数中，让函数返回一个新的实例呢？看例子：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
    User {
        email: email,
        username: username,
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    }
}

在这个例子中，函数参数名字和结构体字段名字是相 的，如果有很多字段，一个一个地写名字和参数是很无聊的，不过，rust 为我们提供了简写的方式

结构体字段初始化简写

我们直接看例子吧：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
    User {
        email,
        username,
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    }
}

email 和 username 的结构体字段名字和函数传入的参数变量的名字是相同的，我们可以只写一遍。

结构体更新

如果旧的结构体实例中的一部分值修改，使之变成一个新的实例，使用结构体更新语法会更加方便。如果在 user1 的基础上修改 email 和 username 而不改变其他的值，我们通常会这样写：

let user2 = User {
    email: String::from("another@example.com"),
    username: String::from("anotherusername567"),
    active: user1.active,
    sign_in_count: user1.sign_in_count,
};

如果我们使用了结构体更新语法，创建新结构体就变成了这样：

let user2 = User {
    email: String::from("another@example.com"),
    username: String::from("anotherusername567"),
    ..user1
};

利用 .. 语法达到了和前面案例相同的结果。

元组结构体

我们也可以定义看起来像元组的结构体，我们称它为元组结构体。元组结构体只定义字段的类型而不定义字段的名字，它主要用于给整个元组一个名字来区分不同的元组。直接看例子：

struct Color(i32, i32, i32);
struct Point(i32, i32, i32);

let black = Color(0, 0, 0);
let origin = Point(0, 0, 0);

定义了黑色和原点，显然二者的类型不相同，虽然声明的字段类型相同，但是二者是使用不同的元组结构体实例化的。

空结构体

我们也可以定义空结构体，它不包含任何字段。详细内容后文再聊。

写个关于结构体的例子

为了学习什么时候用到结构体，我们来写一个计算长方形面积的程序。我们从使用简单变量写起，一直写到使用结构体为止。

编写项目

我们先来创建一个名叫 rectangles 的项目，然后写一个通过宽高计算面积的函数。

fn main() {
    let width1 = 30;
    let height1 = 50;

    println!(
        "长方形的面积是 {}。",
        area(width1, height1)
    );
}

fn area(width: u32, height: u32) -> u32 {
    width * height
}

我们运行的结果是：

cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (/Users/shanpengfei/work/rust-work-space/study/rectangles)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.51s
     Running `target/debug/rectangles`
长方形的面积是 1500。

我们调用 area 函数完成了对长方形面积的计算，但是描述长方形的宽高是分开的，我们能不能想个办法，把两个值变成一个值？很容易想到的办法就是元组，对，没错，是元组。

利用元组重构项目

我们直接看重构完成后的代码：

fn main() {
    let rect1 = (30, 50); // 定义元组

    println!(
        "长方形的面积是 {}。",
        area(rect1)
    );
}

fn area(dimensions: (u32, u32)) -> u32 {
    dimensions.0 * dimensions.1
}

现在只有一个值了，但是又有了一个新的问题：元组没有名字，计算面积还好，元组中的两个值混了也没事，如果是把这个长方形画出来，那就得记着 0 位置是宽，1 位置是高，别人调用我们的代码时，别人也得记着这个顺序。这是很不友好的，那应该怎么解决呢？

利用结构体重构项目

我看来看重构后的代码：

struct Rectangle { // 定义结构体
    width: u32,
    height: u32,
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 }; // 结构体实例化

    println!(
        "长方形的面积是 {}。",
        area(&rect1)
    );
}

fn area(rectangle: &Rectangle) -> u32 {
    rectangle.width * rectangle.height
}

现在只有一个参数了，而且参数也有了实际的含义了，似乎完成了我们的目标。但是 area 函数只能计算长方形的面积，我们希望这个函数尽可能地在 Rectangle 结构体内部，因为它不能处理其它的结构体。那我们应该如果做呢？我们可以把该函数转变成 Rectangle 结构体的方法。在此之前，我们先看一个调试程序的小技巧。

打印结构体

在我们调试程序的时候，经常想看一下结构体每个字段的值是什么，如果直接打印结构体会报错，比如：

struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };

    println!("rect1 是： {}", rect1); // 报错： `Rectangle` cannot be formatted with the default formatter
}

rust 为我们提供了打印的方法，在结构体定义的上方加入 #[derive(Debug)] 声明，在打印的大括号中加入 :? 就可以了，看例子：

#[derive(Debug)]    // 这里加入声明
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };

    println!("rect1 是： {:?}", rect1); // 这里加入打印的格式
}

运行的结果是：

 cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (/Users/shanpengfei/work/rust-work-space/study/rectangles)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.26s
     Running `target/debug/rectangles`
rect1 是： Rectangle { width: 30, height: 50 }

这个结构体的输出很不美观，我们调整一下，让结构体可以结构化输出，只需要把 {:?} 改成 {:#?} 即可，然后输出就变成了:

cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (/Users/shanpengfei/work/rust-work-space/study/rectangles)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.26s
     Running `target/debug/rectangles`
rect1 是： Rectangle {
    width: 30,
    height: 50,
}

后文会详细介绍 derive 声明。

结构体方法

方法和函数类似，都是以关键字 fn 打头，后接方法名、参数和返回值，最后是方法体。方法和函数不同之处在于：方法定义在结构体的上下文中，方法的第一个参数是 self (self 代表结构体方法调用者的实例)。

定义方法

我们来修改 area 方法，把它变成 Rectangle 结构体的方法，如下：

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };

    println!(
        "长方形的面积是 {}。",
        &rect1.area()
    );
}

使用 impl 关键字和结构体名字 Rectangle 来定义 Rectangle 的上下文，然后把 area 函数放进去，就把函数的第一个参数修改成 self，在主函数中，可以让 rect1 实例直接调用 area 方法。

对于方法和第一个参数，我们使用 &self 来代替 rectangle: &Rectangle，因为在 impl Rectangle 声明的上下文中，rust 知道 self 代表的是 Rectangle，但是还需要在 self 前面加上 & 符号，意思是借用 Rectangle 的不可变实例。如果要借用 Rectangle 的可变实例，参数需要写成 &mut self。

使用方法较函数的优势在于：添加方法的时候可以直接使用结构体方法语法，而不必要在每个函数中重复写实例的类型。我们可以把结构体对应的所有方法都写在结构体的上下文中，当我们为别人提供库函数的时候不必要在很多地方寻找需要的函数。

多参方法

我们再写一个例子，第一个长方形能不能装下第二个长方形，如果能装下，就返回 true，否则返回 false，实例代码如下：

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    height: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }

    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle { width: 30, height: 50 };
    let rect2 = Rectangle { width: 10, height: 40 };
    let rect3 = Rectangle { width: 60, height: 45 };

    println!("rect1 装下 rect2? {}", rect1.can_hold(&rect2));
    println!("rect1 装下 rect3? {}", rect1.can_hold(&rect3));
}

我们先来看运行结果：

rect1 装下 rect2? true
rect1 装下 rect3? false

我们在 Rectangle 上下文中定义第二个方法 can_hold，该方法借用另一个 Rectangle 实例作参数，我们需要告诉调用者参数的类型。

关联函数

在结构体上下文中也可以定义不含有 self 参数的函数，这种函数被称为关联函数。这里叫函数，不叫方法，因为这些函数不是使用结构体实例调用的，而是使用双冒号调用，比如之前使用的 String::from 就是一个关联函数。

关联函数常常被用于返回结构体实例的构造函数。例如，我们可以提供一个关联函数来生产 Rectangle 结构体的实例。在这里，我们假设宽度是相等的，我们就可以使用一个参数来代替两个参数了，如下：

impl Rectangle {
    fn square(size: u32) -> Rectangle {
        Rectangle { width: size, height: size }
    }
}

使用双冒号 :: 语法来调用关联函数，举个简单的例子 let sq = Rectangle::square(3);，即 结构体::关联函数。

多个 impl 模块

每个结构体都允许使用多个 impl 声明的上下文，例如：

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.height
    }
}

impl Rectangle {
    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.height > other.height
    }
}

这种语法是有效的，后文学习中可能会使用到，知道有这种语法就好了。

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