每日一 R「07」类型系统（一）

作者：Samson

2022 年 8 月 15 日
上海
本文字数：1829 字
阅读完需：约 6 分钟

在前面的课程中，我们学习了变量所有权、借用以及生命周期等 Rust 中非常重要且比较难懂的内容。今天我们将开始跟着老师一起学习 Rust 中的类型系统。

01-类型系统基本概念

从机器码角度是不存在类型的，与指令交互的是寄存器或内存中的数据流。

类型系统是高级语言中的概念，它是对值的区分，包含了值在内存中的长度、对齐方式以及值允许的操作方式等。因此，类型系统可以看作是一种工具，在编译期的静态检查和运行期的动态检查中，来保证处理的数据是开发者期望的类型。

类型系统是对类型进行定义、检查和处理的系统。类型系统可以划分为：

按定义后类型是否可以隐式转换，类型系统可分为强类型系统和弱类型系统，前者不允许隐式转换，后者允许隐式转换。
按照类型检查的时机，可以分为静态类型系统和动态类型系统，前者检查发生在编译期，后者检查发生在运行期。

类型系统中有一个非常重要的概念，多态，即在使用相同类型的接口时，不同类型的对象，会采用不同的实现。不同的类型系统实现多态的方式也不尽相同：

对于动态类型系统，多态通过鸭子类型（duck type）实现。
对于静态类型系统，多态通过参数多态、特设多态和子类型多态实现。
其中，参数多态指，函数操作的是满足某个约束（例如实现了某个 trait）的参数，而非具体的类型；
特设多态是指同一种行为（例如加法）可以有多个不同实现的多态，例如面向对象语言中的重载；
子类型多态指运行时子类型可以被当成父类型使用，例如面向对象语言中的里氏替换原则。

01.1-Rust 中多态是如何实现的

Rust 是一个静态强类型语言，它对参数多态的支持通过泛型来实现，对特设多态的支持通过 trait 来实现，对子类型多态的支持通过 trait object 来实现。

类型安全，从内存角度看，是指代码只能按照被允许的方法、访问它被授权访问的内存。Rust 下，类型安全有更严格地限制，即代码只能按照被允许的方法和被允许的权限，访问它被授权访问的内存。

为实现如此严格的要求，Rust 中规定一切代码块（出了 let 等定义性语句外）都是表达式。表达式是有类型的，所以类型无处不在。表达式是能够计算出值的，那下面这段表达式的值是什么？

if something_true {    do_corresponding_work();}
if something_ture {    do_corresponding_work();    30}

复制代码

Rust 中表达式的值是代码块中最后一个表达式的值。上述代码中，第一个 if 的返回值是 ()。() 是 Rust 中的一个特别的元素，也称为 unit，它的类型为 ()，值也为 ()，且在内存中并不占空间。第二个 if 的返回值是 30。

02-泛型（参数多态）

02.1-泛型数据结构

常见的泛型数据结构：Option<T>、Result<T, E>、Cow<T>

pub enum Option<T> {    None,    Some(T),}pub enum Result<T, E> {    Ok(T),    Err(E),}pub enum Cow<'a, T> where    T: 'a + ToOwned + ?Sized,  {    Borrowed(&'a T),    Owned(<T as ToOwned>::Owned),}

复制代码

Option<T> 中的 T 未作任何约束，即任何类型都可以。 Cow<T> 中 B 是有约束的，出了必须具备申明周期 ‘a 外，还需要满足：实现了 ToOwned trait，可以是 ?Size 可变大小的类型。

02.2-泛型函数

struct Point<T, U> {    x: T,    y: U,}
impl<T, U> Point<T, U> {    fn mixup<V, W>(self, other: Point<V, W>) -> Point<T, W> {        Point {            x: self.x,            y: other.y,        }    }}

复制代码

与泛型数据结构一样，泛型参数需要提前声明，即 impl<T, U>。此时的 Point<T, U> 已不再是泛型声明，而是一个具体的数据结构。

02.3-单态化

Rust 在编译期间会将泛型转换为具体地类型，这个过程称为单态化。单态化是一个通过填充编译时使用的具体类型，将通用代码转换为特定代码的过程。正是单态化使得 Rust 运行时的效率不会丧失，但同时带来的是编译时间变长、可执行文件体积变大。

以标准库中 Option<T> 为例，如果按照如下方式使用：

let integer = Some(5);let float = Some(5.0);

复制代码

经过编译编译，会产生如下对应的代码，这个过程就是单态化过程：

enum Option_i32 {    Some(i32),    None,}
enum Option_f64 {    Some(f64),    None,}
fn main() {    let integer = Option_i32::Some(5);    let float = Option_f64::Some(5.0);}