Обобщённые типы, типажи и время жизни

Каждый язык программирования имеет в своём арсенале эффективные средства борьбы с дублированием кода. В Rust одним из таким инструментом являются обобщённые типы данных - generics. Это абстрактные подставные типы на место которых возможно поставить какой-либо конкретный тип или другое свойство. Когда мы пишем код, мы можем выразить поведение обобщённых типов или их связь с другими обобщёнными типами, не зная какой тип будет использован на их месте при компиляции и запуске кода.

Функции могут принимать параметры некоторого "обобщённого" типа вместо привычных "конкретных" типов, вроде i32 или String. Аналогично, функция принимает параметры с неизвестными заранее значениями, чтобы выполнять одинаковые действия над несколькими конкретными значениями. На самом деле мы уже использовали обобщённые типы данных в Главе 6 (Option<T>), в Главе 8 (Vec<T> и HashMap<K, V>) и в Главе 9 (Result<T, E>). В этой главе вы узнаете, как определить собственные типы данных, функции и методы, используя возможности обобщённых типов.

Прежде всего, мы рассмотрим как для уменьшения дублирования извлечь из кода некоторую общую функциональность. Далее, мы будем использовать тот же механизм для создания обобщённой функции из двух функций, которые отличаются только типом их параметров. Мы также объясним, как использовать обобщённые типы данных при определении структур и перечислений.

После этого мы изучим как использовать типажи (traits) для определения поведения в обобщённом виде. Можно комбинировать типажи с обобщёнными типами, чтобы обобщённый тип мог принимать только такие типы, которые имеют определённое поведение, а не все подряд.

В конце мы обсудим времена жизни (lifetimes), вариации обобщённых типов, которые дают компилятору информацию о том, как сроки жизни ссылок относятся друг к другу. Времена жизни позволяют нам указать дополнительную информацию об "одолженных" (borrowed) значениях, которая позволит компилятору удостовериться в корректности используемых ссылок в тех ситуациях, когда компилятор не может сделать это автоматически.

Удаление дублирования кода с помощью выделения общей функциональности

В обобщениях мы можем заменить конкретный тип на "заполнитель" (placeholder), обозначающую несколько типов, что позволяет удалить дублирующийся код. Прежде чем углубляться в синтаксис обобщённых типов, давайте сначала посмотрим, как удалить дублирование, не задействует универсальные типы, путём извлечения функции, которая заменяет определённые значения заполнителем, представляющим несколько значений. Затем мы применим ту же технику для извлечения универсальной функции! Изучив, как распознать дублированный код, который можно извлечь в функцию, вы начнёте распознавать дублированный код, который может использовать обобщённые типы.

Начнём с короткой программы в листинге 10-1, которая находит наибольшее число в списке.

Файл: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);
    assert_eq!(*largest, 100);
}

Листинг 10-1: Поиск наибольшего числа в списке чисел

Сохраним список целых чисел в переменной number_list и поместим первое значение из списка в переменную largest. Далее, переберём все элементы списка, и, если текущий элемент больше числа сохранённого в переменной largest, заменим значение в этой переменной. Если текущий элемент меньше или равен "наибольшему", найденному ранее, значение переменной оставим прежним и перейдём к следующему элементу списка. После перебора всех элементов списка переменная largest должна содержать наибольшее значение, которое в нашем случае будет равно 100.

Теперь перед нами стоит задача найти наибольшее число в двух разных списках. Для этого мы можем дублировать код из листинга 10-1 и использовать ту же логику в двух разных местах программы, как показано в листинге 10-2.

Файл: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);

    let number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("The largest number is {}", largest);
}

Листинг 10-2: Код для поиска наибольшего числа в двух списках чисел

Несмотря на то, что код программы работает, дублирование кода утомительно и подвержено ошибкам. При внесении изменений мы должны не забыть обновить каждое место, где код дублируется.

Для устранения дублирования мы можем создать дополнительную абстракцию с помощью функции которая сможет работать с любым списком целых чисел переданным ей в качестве входного параметра и находить для этого списка наибольшее число. Данное решение делает код более ясным и позволяет абстрактным образом реализовать алгоритм поиска наибольшего числа в списке.

В листинге 10-3 мы извлекаем код, который находит наибольшее число, в функцию с именем largest. Затем мы вызываем функцию, чтобы найти наибольшее число в двух списках из листинга 10-2. Мы также можем использовать эту функцию для любого другого списка значений i32 , который может встретиться позже.

Файл: src/main.rs

fn largest(list: &[i32]) -> &i32 {
    let mut largest = &list[0];

    for item in list {
        if item > largest {
            largest = item;
        }
    }

    largest
}

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let result = largest(&number_list);
    println!("The largest number is {}", result);
    assert_eq!(*result, 100);

    let number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let result = largest(&number_list);
    println!("The largest number is {}", result);
    assert_eq!(*result, 6000);
}

Листинг 10-3: Абстрактный код для поиска наибольшего числа в двух списках

Функция largest имеет параметр с именем list, который представляет любой срез значений типа i32, которые мы можем передать в неё. В результате вызова функции, код выполнится с конкретными, переданными в неё значениями.

Итак, вот шаги выполненные для изменения кода из листинга 10-2 в листинг 10-3:

  1. Определить дублирующийся код.
  2. Извлечь дублирующийся код и поместить его в тело функции, определив входные и выходные значения этого кода в сигнатуре функции.
  3. Обновить и заменить два участка дублирующегося кода вызовом одной функции.

Далее, чтобы уменьшить дублирование кода, мы воспользуемся теми же шагами для обобщённых типов. Обобщённые типы позволяют работать над абстрактными типами таким же образом, как тело функции может работать над абстрактным списком list вместо конкретных значений.

Например, у нас есть две функции: одна ищет наибольший элемент внутри среза значений типа i32, а другая внутри среза значений типа char. Как уменьшить такое дублирование? Давайте выяснять!