% Типажи

Типаж --- это возможность объяснить компилятору, что данный тип должен предоставлять определённую функциональность.

Вы помните ключевое слово impl, используемое для вызова функции через синтаксис метода?

# #![feature(core)]
struct Circle {
    x: f64,
    y: f64,
    radius: f64,
}

impl Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
    }
}

Типажи схожи, за исключением того, что мы определяем типаж, содержащий лишь сигнатуру метода, а затем реализуем этот типаж для нужной структуры. Например, как показано ниже:

# #![feature(core)]
struct Circle {
    x: f64,
    y: f64,
    radius: f64,
}

trait HasArea {
    fn area(&self) -> f64;
}

impl HasArea for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
    }
}

Как вы можете видеть, блок trait очень похож на блок impl. Различие состоит лишь в том, что тело метода не определяется, а определяется только его сигнатура. Когда мы реализуем типаж, мы используем impl Trait for Item, а не просто impl Item.

Мы можем использовать типажи для ограничения обобщённых типов. Рассмотрим похожую функцию, которая также не компилируется, и выводит ошибку:

fn print_area<T>(shape: T) {
    println!("This shape has an area of {}", shape.area());
}

Rust выводит:

error: type `T` does not implement any method in scope named `area`

Поскольку T может быть любого типа, мы не можем быть уверены, что он реализует метод area. Но мы можем добавить «ограничение по типажу» к нашему обобщённому типу T, гарантируя, что он будет соответствовать требованиям:

# trait HasArea {
#     fn area(&self) -> f64;
# }
fn print_area<T: HasArea>(shape: T) {
    println!("This shape has an area of {}", shape.area());
}

Синтаксис <T: HasArea> означает «любой тип, реализующий типаж HasArea». Так как типажи определяют сигнатуры типов функций, мы можем быть уверены, что любой тип, который реализует HasArea, будет иметь метод .area().

Вот расширенный пример того, как это работает:

# #![feature(core)]
trait HasArea {
    fn area(&self) -> f64;
}

struct Circle {
    x: f64,
    y: f64,
    radius: f64,
}

impl HasArea for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * (self.radius * self.radius)
    }
}

struct Square {
    x: f64,
    y: f64,
    side: f64,
}

impl HasArea for Square {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.side * self.side
    }
}

fn print_area<T: HasArea>(shape: T) {
    println!("Площадь этой фигуры равна {}", shape.area());
}

fn main() {
    let c = Circle {
        x: 0.0f64,
        y: 0.0f64,
        radius: 1.0f64,
    };

    let s = Square {
        x: 0.0f64,
        y: 0.0f64,
        side: 1.0f64,
    };

    print_area(c);
    print_area(s);
}

Ниже показан вывод программы:

Площадь этой фигуры равна 3.141593
Площадь этой фигуры равна 1

Как вы можете видеть, теперь print_area не только является обобщённой функцией, но и гарантирует, что будет получен корректный тип. Если же мы передадим некорректный тип:

print_area(5);

Мы получим ошибку времени компиляции:

error: the trait `HasArea` is not implemented for the type `_` [E0277]

До сих пор мы добавляли реализации типажей лишь для структур, но реализовать типаж можно для любого типа. Технически, мы могли бы реализовать HasArea для i32:

trait HasArea {
    fn area(&self) -> f64;
}

impl HasArea for i32 {
    fn area(&self) -> f64 {
        println!("это нелепо");

        *self as f64
    }
}

5.area();

Хотя технически это возможно, реализация методов для примитивных типов считается плохим стилем программирования.

Может показаться, что такой подход легко приводит к бардаку в коде, однако есть два ограничения, связанные с реализацией типажей, которые мешают коду выйти из-под контроля. Во-первых, если типаж не определён в нашей области видимости, он не применяется. Например, стандартная библиотека предоставляет типаж Write, который добавляет типу File функциональность ввода-вывода. По умолчанию у File не будет этих методов:

let mut f = std::fs::File::open("foo.txt").ok().expect("Не могу открыть foo.txt");
let buf = b"whatever"; // литерал строки байт. buf: &[u8; 8]
let result = f.write(buf);
# result.unwrap(); // игнорируем ошибку

Вот ошибка:

error: type `std::fs::File` does not implement any method in scope named `write`
let result = f.write(buf);
               ^~~~~~~~~~

Сначала мы должны сделать use для типажа Write:

use std::io::Write;

let mut f = std::fs::File::open("foo.txt").ok().expect("Не могу открыть foo.txt");
let buf = b"whatever";
let result = f.write(buf);
# result.unwrap(); // игнорируем ошибку

Это скомпилируется без ошибки.

Благодаря такой логике работы, даже если кто-то сделает что-то страшное — например, добавит методы i32, это не коснётся вас, пока вы не импортируете типаж.

Второе ограничение реализации типажей --- это то, что или типаж, или тип, для которого вы реализуете типаж, должен быть реализован вами. Мы могли бы определить HasArea для i32, потому что HasArea — это наш код. Но если бы мы попробовали реализовать для i32 ToString — типаж, предоставляемый Rust — мы бы не смогли сделать это, потому что ни типаж, ни тип не реализован нами.

Последнее, что нужно сказать о типажах: обобщённые функции с ограничением по типажам используют мономорфизацию (mono: один, morph: форма), поэтому они диспетчеризуются статически. Что это значит? Посмотрите главу Типажи-объекты, чтобы получить больше информации.

Множественные ограничения по типажам

Вы уже видели, как можно ограничить обобщённый параметр типа определённым типажом:

fn foo<T: Clone>(x: T) {
    x.clone();
}

Если вам нужно больше одного ограничения, вы можете использовать +:

use std::fmt::Debug;

fn foo<T: Clone + Debug>(x: T) {
    x.clone();
    println!("{:?}", x);
}

Теперь тип T должен реализовавать как типаж Clone, так и типаж Debug.

Утверждение where

Написание функций с несколькими обобщёнными типами и небольшим количеством ограничений по типажам выглядит не так уж плохо, но, с увеличением количества зависимостей, синтаксис получается более неуклюжим:

use std::fmt::Debug;

fn foo<T: Clone, K: Clone + Debug>(x: T, y: K) {
    x.clone();
    y.clone();
    println!("{:?}", y);
}

Имя функции находится слева, а список параметров — далеко справа. Ограничения загромождают место.

Есть решение и для этой проблемы, и оно называется «утверждение where»:

use std::fmt::Debug;

fn foo<T: Clone, K: Clone + Debug>(x: T, y: K) {
    x.clone();
    y.clone();
    println!("{:?}", y);
}

fn bar<T, K>(x: T, y: K) where T: Clone, K: Clone + Debug {
    x.clone();
    y.clone();
    println!("{:?}", y);
}

fn main() {
    foo("Привет", "мир");
    bar("Привет", "мир");
}

foo() использует синтаксис, показанный ранее, а bar() использует утверждение where. Все, что нам нужно сделать, это убрать ограничения при определении типов параметров, а затем добавить where после списка параметров. В более длинных списках можно использовать пробелы:

use std::fmt::Debug;

fn bar<T, K>(x: T, y: K)
    where T: Clone,
          K: Clone + Debug {

    x.clone();
    y.clone();
    println!("{:?}", y);
}

Такая гибкость может добавить ясности в сложных ситуациях.

На самом деле where это больше, чем просто упрощение синтаксиса. Например:

trait ConvertTo<Output> {
    fn convert(&self) -> Output;
}

impl ConvertTo<i64> for i32 {
    fn convert(&self) -> i64 { *self as i64 }
}

// может быть вызван с T == i32
fn normal<T: ConvertTo<i64>>(x: &T) -> i64 {
    x.convert()
}

// может быть вызван с T == i64
fn inverse<T>() -> T
        // использует ConvertTo как если бы это было «ConvertTo<i64>»
        where i32: ConvertTo<T> {
    1i32.convert()
}

Этот код демонстрирует дополнительные преимущества использования утверждения where: оно позволяет задавать ограничение, где с левой стороны располагается произвольный тип (в данном случае i32), а не только простой параметр типа (вроде T).

Методы по умолчанию

Есть еще одна особенность типажей, о которой стоит поговорить: методы по умолчанию. Проще всего показать это на примере:

trait Foo {
    fn is_valid(&self) -> bool;

    fn is_invalid(&self) -> bool { !self.is_valid() }
}

В типах, реализующих типаж Foo, нужно реализовать метод is_valid(), а is_invalid() будет реализован по-умолчанию. Его поведение можно переопределить:

# trait Foo {
#     fn is_valid(&self) -> bool;
#
#     fn is_invalid(&self) -> bool { !self.is_valid() }
# }
struct UseDefault;

impl Foo for UseDefault {
    fn is_valid(&self) -> bool {
        println!("Вызван UseDefault.is_valid.");
        true
    }
}

struct OverrideDefault;

impl Foo for OverrideDefault {
    fn is_valid(&self) -> bool {
        println!("Вызван OverrideDefault.is_valid.");
        true
    }

    fn is_invalid(&self) -> bool {
        println!("Вызван OverrideDefault.is_invalid!");
        true // эта реализация противоречит сама себе!
    }
}

let default = UseDefault;
assert!(!default.is_invalid()); // печатает «Вызван UseDefault.is_valid.»

let over = OverrideDefault;
assert!(over.is_invalid()); // печатает «Вызван OverrideDefault.is_invalid!»

Наследование

Иногда чтобы реализовать один типаж, нужно реализовать типажи, от которых он зависит:

trait Foo {
    fn foo(&self);
}

trait FooBar : Foo {
    fn foobar(&self);
}

Типы, реализующие FooBar, должны реализовывать Foo:

# trait Foo {
#     fn foo(&self);
# }
# trait FooBar : Foo {
#     fn foobar(&self);
# }
struct Baz;

impl Foo for Baz {
    fn foo(&self) { println!("foo"); }
}

impl FooBar for Baz {
    fn foobar(&self) { println!("foobar"); }
}

Если мы забудем реализовать Foo, компилятор скажет нам об этом:

error: the trait `main::Foo` is not implemented for the type `main::Baz` [E0277]