• Rust NewType设计模式有什么优点?
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  • 卧龙生
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在本篇博文中,我们将探讨New Type的基本用法、优点,以及阐述Rust中的单值包装为什么是一种零成本抽象。

New Type模式的基本用法
New Type模式是一种软件设计模式,用于在已有类型的基础上创建一个新的类型。在Rust中,这通常是通过定义一个结构体,其中只包含一个单一成员。这个结构体(New Type)对外提供了一个新的、独立的类型,用于对原始类型增加额外的语义或限制。
struct Meters(f64); // New Type定义
// 堆代码 duidaima.com
// 使用New Type包装原始值
let distance = Meters(10.0);

// 通过元组结构体的一元元组语法获取内部值
let Meters(value) = distance;
println!("Distance: {} meters", value);
在上述示例中,我们定义了一个Meters类型来表示以米为单位的距离。这种做法可以避免将原始类型f64用于不同的量度,从而增强了类型的安全性。

New Type模式的优点
1. 类型安全
假设我们定义两种度量单位:米和英尺。
struct Meters(f64);
struct Feet(f64);

let length_in_meters = Meters(100.0);
let length_in_feet = Feet(328.084);

// 编译器会防止以下代码执行,因为类型不匹配
// let wrong_length = Meters(length_in_feet); // 编译错误

// 正确的构造
fn add_lengths(length1: Meters, length2: Meters) -> Meters {
    Meters(length1.0 + length2.0)
}
在上例中,尝试将Feet类型的值直接赋给Meters类型的变量会导致编译错误,这正是类型安全的体现,防止了不同类型间的错误混用。

2. 附加语义
通过New Type,你可以清楚地传达代码的意图。
struct UserName(String);
struct UserId(u64);

fn greet_user(user_name: UserName) {
    println!("Hello, {}", user_name.0);
}

let user_name = UserName("Alice".to_string());
greet_user(user_name);

// 使用原始类型可能不那么清晰
// greet_user("Alice".to_string()); // 缺少语义信息
此处,UserName不仅仅是一个字符串,它明确表示了用户的名字,而不是其他可能的字符串数据。

3. 类型约束
New Type可以确保你的类型满足某些条件。
struct PositiveNonZeroInteger(u64);

impl PositiveNonZeroInteger {
    pub fn new(value: u64) -> Option<PositiveNonZeroInteger> {
        if value > 0 {
            Some(PositiveNonZeroInteger(value))
        } else {
            None
        }
    }
}

let five = PositiveNonZeroInteger::new(5).unwrap();
// let invalid = PositiveNonZeroInteger::new(0); // 这将得到 None
在这里,尽管底层类型是u64,但PositiveNonZeroInteger类型保证了它永远不会是负数或零。

4. 实现特定的trait
New Type允许你以不影响其他代码的方式为类型添加特定行为。
struct Kilometers(f64);

impl Kilometers {
    fn to_miles(&self) -> f64 {
        self.0 * 0.621371
    }
}

let distance = Kilometers(10.0);
println!("The distance in miles is {}", distance.to_miles());
这里,Kilometers有一个方法to_miles,该方法是不会影响其他f64数据的。如果我们有另一个表示温度的f64类型,就不会意外调用到与距离相关的方法。上述例子清晰地描绘了New Type模式在实际编程中的应用,它们强化了代码的准确性,确保了更好的程序设计和更加健壮的应用架构。

上述的示例中都是对原生类型的举例,实际上New Type模式同样适用于对Box<dyn SomeTrait>类型的包装,这可以在你需要动态分派(动态调用实现了某个接口的不同类型的对象的方法)的时候提供便利。通过创建一个New Type来包装这样的Box<dyn SomeTrait>类型,你可以提供自定义的方法或实现更多的trait,同时也可以让你的API更加清晰和易于使用。

零成本抽象
在Rust中,New Type模式不仅是类型安全的,还是一种零成本抽象。这是因为Rust编译器在编译时期会进行足够的优化,以确保New Type的使用没有运行时开销。Rust的零成本抽象原则确保了抽象不会引入额外的运行时成本。例如,当你使用Meters这样的New Type时,Rust确保:
无额外内存开销:Meters只包含一个f64,在内存中的表现和单独的f64是一样的。
无额外运行时开销:使用Meters时,性能和直接使用f64完全相同。编译器会移除任何关于New Type的包装和解包的代码。
总之,Rust的New Type模式是一种好用的模式,它不但能提升代码的表达力和安全性,还能保证不会对程序性能产生影响。通过使用New Type,你可以利用Rust语言强大的类型系统为你的代码库增加额外的严谨性和表意性。
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