Язык программирования Rust

Пример использования структур

Чтобы понять, когда нам может понадобиться использование структур, давайте напишем программу, которая вычисляет площадь прямоугольника. Мы начнём с использования одиночных переменных, а затем будем улучшать программу до использования структур.

Давайте создадим новый проект программы при помощи Cargo и назовём его rectangles. Наша программа будет получать на вход длину и ширину прямоугольника в пикселях и затем рассчитывать площадь прямоугольника. Листинг 5-8 показывает один из коротких вариантов кода, который позволит нам сделать именно то, что надо, в файле проекта src/main.rs.

Файл: src/main.rs

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

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        area(width1, height1)
    );
}

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

Листинг 5-8: вычисление площади прямоугольника, заданного отдельными переменными ширины и высоты

Теперь запустим программу, используя cargo run:

$ cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (file:///projects/rectangles)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.42s
     Running `target/debug/rectangles`
The area of the rectangle is 1500 square pixels.

Этот код успешно вычисляет площадь прямоугольника, вызывая функцию area с каждым измерением, но мы можем улучшить его ясность и читабельность.

Проблема данного метода очевидна из сигнатуры area:

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

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        area(width1, height1)
    );
}

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

Функция area должна вычислять площадь одного прямоугольника, но функция, которую мы написали, имеет два параметра, и нигде в нашей программе не ясно, что эти параметры взаимосвязаны. Было бы более читабельным и управляемым сгруппировать ширину и высоту вместе. В разделе «Кортежи» главы 3 мы уже обсуждали один из способов сделать это — использовать кортежи.

Рефакторинг при помощи кортежей

Листинг 5-9 — это другая версия программы, использующая кортежи.

Файл: src/main.rs

fn main() {
    let rect1 = (30, 50);

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        area(rect1)
    );
}

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

Листинг 5-9: определение ширины и высоты прямоугольника с помощью кортежа

С одной стороны, эта программа лучше. Кортежи позволяют добавить немного структуры, и теперь мы передаём только один аргумент. Но с другой стороны, эта версия менее понятна: кортежи не называют свои элементы, поэтому нам приходится индексировать части кортежа, что делает наше вычисление менее очевидным.

Если мы перепутаем местами ширину с высотой при расчёте площади, то это не имеет значения. Но если мы хотим нарисовать прямоугольник на экране, то это уже будет важно! Мы должны помнить, что ширина width находится в кортеже с индексом 0, а высота height — с индексом 1. Если кто-то другой поработал бы с кодом, ему бы пришлось разобраться в этом и также помнить про порядок. Легко забыть и перепутать эти значения — и это вызовет ошибки, потому что данный код не передаёт наши намерения.

Рефакторинг при помощи структур: добавим больше смысла

Мы используем структуры, чтобы добавить смысл данным при помощи назначения им осмысленных имён . Мы можем переделать используемый кортеж в структуру с единым именем для сущности и частными названиями её частей, как показано в листинге 5-10.

Файл: src/main.rs

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

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

    println!(
        "The area of the rectangle is {} square pixels.",
        area(&rect1)
    );
}

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

Листинг 5-10: определение структуры Rectangle

Здесь мы определили структуру и дали ей имя Rectangle. Внутри фигурных скобок определили поля как width и height, оба — типа u32. Затем в main создали конкретный экземпляр Rectangle с шириной в 30 и высотой в 50 единиц.

Наша функция area теперь определена с одним параметром, названным rectangle, чей тип является неизменяемым заимствованием структуры Rectangle. Как упоминалось в главе 4, необходимо заимствовать структуру, а не передавать её во владение. Таким образом функция main сохраняет rect1 в собственности и может использовать её дальше. По этой причине мы и используем & в сигнатуре и в месте вызова функции.

Функция area получает доступ к полям width и height экземпляра Rectangle (обратите внимание, что доступ к полям заимствованного экземпляра структуры не приводит к перемещению значений полей, поэтому вы часто видите заимствования структур). Наша сигнатура функции для area теперь говорит именно то, что мы имеем в виду: вычислить площадь Rectangle, используя его поля width и height. Это означает, что ширина и высота связаны друг с другом, и даёт описательные имена значениям, а не использует значения индекса кортежа 0 и 1. Это торжество ясности.

Добавление полезной функциональности при помощи выводимых типажей

Было бы полезно иметь возможность печатать экземпляр Rectangle во время отладки программы и видеть значения всех полей. Листинг 5-11 использует макрос println!, который мы уже использовали в предыдущих главах. Тем не менее, это не работает.

Файл: src/main.rs

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

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

    println!("rect1 is {}", rect1);
}

Листинг 5-11: Попытка вывести значения экземпляра Rectangle

При компиляции этого кода мы получаем ошибку с сообщением:

error[E0277]: `Rectangle` doesn't implement `std::fmt::Display`

Макрос println! умеет выполнять множество видов форматирования, и по умолчанию фигурные скобки в println! означают использование форматирование, известное как типаж Display. Его вывод предназначен для непосредственного использования конечным пользователем. Примитивные типы, изученные ранее, по умолчанию реализуют типаж Display, потому что есть только один способ отобразить число 1 или любой другой примитивный тип. Но для структур форматирование println! менее очевидно, потому что есть гораздо больше способов отображения: Вы хотите запятые или нет? Вы хотите печатать фигурные скобки? Должны ли отображаться все поля? Из-за этой неоднозначности Rust не пытается угадать, что нам нужно, а структуры не имеют встроенной реализации Display для использования в println! с заполнителем {}.

Продолжив чтение текста ошибки, мы найдём полезное замечание:

   = help: the trait `std::fmt::Display` is not implemented for `Rectangle`
   = note: in format strings you may be able to use `{:?}` (or {:#?} for pretty-print) instead

Давайте попробуем! Вызов макроса println! теперь будет выглядеть так println!("rect1 is {:?}", rect1);. Ввод спецификатора :? внутри фигурных скобок говорит макросу println!, что мы хотим использовать другой формат вывода, известный как Debug. Типаж Debug позволяет печатать структуру способом, удобным для разработчиков, чтобы видеть значение во время отладки кода.

Скомпилируем код с этими изменениями. Упс! Мы всё ещё получаем ошибку:

error[E0277]: `Rectangle` doesn't implement `Debug`

Снова компилятор даёт нам полезное замечание:

   = help: the trait `Debug` is not implemented for `Rectangle`
   = note: add `#[derive(Debug)]` to `Rectangle` or manually `impl Debug for Rectangle`

Rust реализует функциональность для печати отладочной информации, но не включает (не выводит) её по умолчанию. Мы должны явно включить эту функциональность для нашей структуры. Чтобы это сделать, добавляем внешний атрибут #[derive(Debug)] сразу перед определением структуры, как показано в листинге 5-12.

Файл: src/main.rs

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

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

    println!("rect1 is {rect1:?}");
}

Листинг 5-12: добавление атрибута для вывода типажа Debug и печати экземпляра Rectangle с отладочным форматированием

Теперь при запуске программы мы не получим ошибок и увидим следующий вывод:

$ cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (file:///projects/rectangles)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.48s
     Running `target/debug/rectangles`
rect1 is Rectangle { width: 30, height: 50 }

Отлично! Это не самый красивый вывод, но он показывает значения всех полей экземпляра, которые определённо помогут при отладке. Когда у нас более крупные структуры, то полезно иметь более простой для чтения вывод; в таких случаях можно использовать код {:#?} вместо {:?} в строке макроса println!. В этом примере использование стиля {:#?} приведёт к такому выводу:

$ cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (file:///projects/rectangles)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.48s
     Running `target/debug/rectangles`
rect1 is Rectangle {
    width: 30,
    height: 50,
}

Другой способ распечатать значение в формате Debug — использовать макрос dbg!, который становится владельцем выражения (в отличие от println!, принимающего ссылку), печатает номер файла и строки, где происходит вызов макроса dbg!, вместе с результирующим значением этого выражения и возвращает владение на значение.

Примечание: при вызове макроса dbg! выполняется печать в стандартный поток ошибок (stderr), в отличие от println!, который использует стандартный поток вывода в консоль (stdout). Подробнее о stderr и stdout мы поговорим в разделе «Запись сообщений об ошибках в стандартный вывод ошибок вместо стандартного вывода» главы 12.

Вот пример, когда нас интересует значение, которое присваивается полю width, а также значение всей структуры в rect1:

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

fn main() {
    let scale = 2;
    let rect1 = Rectangle {
        width: dbg!(30 * scale),
        height: 50,
    };

    dbg!(&rect1);
}

Можем написать макрос dbg! вокруг выражения 30 * scale, потому что dbg! возвращает владение значения выражения. Поле width получит то же значение, как если бы у нас не было вызова dbg!. Мы не хотим, чтобы макрос dbg! становился владельцем rect1, поэтому используем ссылку на rect1 в следующем вызове. Вот как выглядит вывод этого примера:

$ cargo run
   Compiling rectangles v0.1.0 (file:///projects/rectangles)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.61s
     Running `target/debug/rectangles`
[src/main.rs:10:16] 30 * scale = 60
[src/main.rs:14:5] &rect1 = Rectangle {
    width: 60,
    height: 50,
}

Мы можем увидеть, что первый отладочный вывод поступил из строки 10 src/main.rs, там, где мы отлаживаем выражение 30 * scale, и его результирующее значение равно 60 (Debug форматирование, реализованное для целых чисел, заключается в печати только их значения). Вызов dbg! в строке 14 src/main.rs выводит значение &rect1, которое является структурой Rectangle. В этом выводе используется красивое форматирование Debug типа Rectangle. Макрос dbg! может быть очень полезен, когда вы пытаетесь понять, что делает ваш код!

В дополнение к Debug, Rust предоставил нам ряд типажей, которые мы можем использовать с атрибутом derive для добавления полезного поведения к нашим пользовательским типам. Эти типажи и их поведение перечислены в приложении C. Мы расскажем, как реализовать эти трейты с пользовательским поведением, а также как создать свои собственные трейты в главе 10. Кроме того, есть много других атрибутов помимо derive; для получения дополнительной информации смотрите раздел “Атрибуты” справочника Rust.

Функция area является довольно специфичной: она считает только площадь прямоугольников. Было бы полезно привязать данное поведение как можно ближе к структуре Rectangle, потому что наш специфичный код не будет работать с любым другим типом. Давайте рассмотрим, как можно улучшить наш код превращая функцию area в метод area, определённый для типа Rectangle.