面向对象语言的特性

关于一门语言必须具备哪些特性才能被认为是面向对象的，编程界并没有达成共识。Rust 受到了许多编程范式的影响，包括 OOP；例如，我们在第 13 章中探讨了来自函数式编程的特性。可以说，OOP 语言共享某些共同的特性，即对象、封装和继承。让我们看看这些特性各自意味着什么，以及 Rust 是否支持它们。

对象包含数据和行为

由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 合著的《设计模式：可复用面向对象软件的元素》（Addison-Wesley, 1994），通俗地称为“四人帮”书，是面向对象设计模式的目录。它这样定义 OOP：

面向对象程序由对象组成。一个对象将数据和操作该数据的过程打包在一起。这些过程通常被称为方法或操作。

根据这个定义，Rust 是面向对象的：结构体和枚举拥有数据，而 impl 块为结构体和枚举提供了方法。尽管带有方法的结构体和枚举不被称为对象，但根据“四人帮”对对象的定义，它们提供了相同的功能。

隐藏实现细节的封装

OOP 另一个常见的相关概念是封装，这意味着对象的实现细节对于使用该对象的代码是不可访问的。因此，与对象交互的唯一方式是通过其公共 API；使用对象的代码不应该能够直接访问对象的内部并更改数据或行为。这使得程序员可以更改和重构对象的内部，而无需更改使用该对象的代码。

我们在第 7 章中讨论了如何控制封装：我们可以使用 pub 关键字来决定代码中的哪些模块、类型、函数和方法应该是公共的，默认情况下，其他所有内容都是私有的。例如，我们可以定义一个结构体 AveragedCollection，它包含一个 i32 值向量的字段。该结构体还可以包含一个字段，其中包含向量中值的平均值，这意味着无论何时需要平均值，都不必按需计算。换句话说，AveragedCollection 将为我们缓存计算出的平均值。示例 18-1 是 AveragedCollection 结构体的定义：

文件名: src/lib.rs:

pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}

示例 18-1: 一个 AveragedCollection 结构体，维护一个整数列表和集合中项的平均值

该结构体被标记为 pub，以便其他代码可以使用它，但结构体内的字段仍然是私有的。在这种情况下，这很重要，因为我们希望确保每当从列表中添加或删除值时，平均值也会更新。我们通过在结构体上实现 add、remove 和 average 方法来做到这一点，如示例 18-2 所示：

文件名: src/lib.rs:

pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}

impl AveragedCollection {
    pub fn add(&mut self, value: i32) {
        self.list.push(value);
        self.update_average();
    }

    pub fn remove(&mut self) -> Option<i32> {
        let result = self.list.pop();
        match result {
            Some(value) => {
                self.update_average();
                Some(value)
            }
            None => None,
        }
    }

    pub fn average(&self) -> f64 {
        self.average
    }

    fn update_average(&mut self) {
        let total: i32 = self.list.iter().sum();
        self.average = total as f64 / self.list.len() as f64;
    }
}

示例 18-2: AveragedCollection 上公共方法 add、remove 和 average 的实现

公共方法 add、remove 和 average 是访问或修改 AveragedCollection 实例中数据的唯一方式。当使用 add 方法向列表中添加项或使用 remove 方法删除项时，每个实现都会调用私有的 update_average 方法，该方法也负责更新 average 字段。

我们将 list 和 average 字段保留为私有，这样外部代码就无法直接向 list 字段添加或删除项；否则，当列表更改时，average 字段可能会不同步。average 方法返回 average 字段中的值，允许外部代码读取平均值但不能修改它。

由于我们已经封装了 AveragedCollection 结构体的实现细节，我们将来可以轻松更改方面，例如数据结构。例如，我们可以使用 HashSet<i32> 而不是 Vec<i32> 作为 list 字段。只要 add、remove 和 average 公共方法的签名保持不变，使用 AveragedCollection 的代码就不需要更改。如果我们改为将 list 公开，情况就不一定如此：HashSet<i32> 和 Vec<i32> 有不同的添加和删除项的方法，因此如果外部代码直接修改 list，则可能需要更改。

如果封装是语言被认为是面向对象所必需的方面，那么 Rust 满足了这一要求。对代码不同部分使用 pub 或不使用 pub 的选项可以实现实现细节的封装。

继承作为类型系统和代码共享

继承是一种机制，通过该机制，一个对象可以从另一个对象的定义中继承元素，从而获得父对象的数据和行为，而无需您再次定义它们。

如果一门语言必须具有继承才能面向对象，那么 Rust 就不是这样一门语言。没有办法定义一个结构体，使其在不使用宏的情况下继承父结构体的字段和方法实现。

但是，如果您习惯于在编程工具箱中使用继承，那么您可以根据您最初选择继承的原因，在 Rust 中使用其他解决方案。

您选择继承有两个主要原因。一个是为了代码重用：您可以为一种类型实现特定行为，而继承使您能够为不同类型重用该实现。您可以在 Rust 代码中通过默认的 trait 方法实现以有限的方式做到这一点，这在示例 10-14 中我们为 Summary trait 上的 summarize 方法添加默认实现时已经看到。任何实现 Summary trait 的类型都将拥有 summarize 方法，而无需任何额外的代码。这类似于父类具有方法的实现，并且继承的子类也具有方法的实现。我们还可以在实现 Summary trait 时覆盖 summarize 方法的默认实现，这类似于子类覆盖从父类继承的方法的实现。

使用继承的另一个原因与类型系统有关：使子类型能够在与父类型相同的地方使用。这也被称为多态性，这意味着如果多个对象共享某些特性，您可以在运行时相互替换它们。

多态性

对许多人来说，多态性是继承的同义词。但它实际上是一个更通用的概念，指的是可以处理多种类型数据的代码。对于继承，这些类型通常是子类。

Rust 转而使用泛型来抽象不同的可能类型，并使用 trait 约束来对这些类型必须提供的内容施加限制。这有时被称为有界参数多态性。

继承作为一种编程设计解决方案，最近在许多编程语言中已经失宠，因为它经常面临共享不必要代码的风险。子类不应该总是共享其父类的所有特性，但继承会这样做。这会使程序的設計灵活性降低。它还引入了在子类上调用没有意义或导致错误的方法的可能性，因为这些方法不适用于子类。此外，一些语言只允许单继承（意味着子类只能从一个类继承），这进一步限制了程序设计的灵活性。

由于这些原因，Rust 采用了使用 trait 对象而不是继承的不同方法。让我们看看 trait 对象如何在 Rust 中实现多态性。