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【Rust】 5. Trait 与运算符重载

news 2025/8/30 7:32:13

一、Trait 基础概念

Trait 是 Rust 中定义共享行为的机制，类似于其他语言的接口，但有重要区别。

基本定义


trait Shape {fn area(&self) -> f64;
}

方法参数说明

&self 等价于 self: &Self
&mut self 等价于 self: &mut Self
self 等价于 self: Self

实现示例


struct Circle {radius: f64,
}impl Shape for Circle {fn area(&self) -> f64 {std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius}
}

二、方法类型

实例方法


impl Circle {fn get_radius(&self) -> f64 {self.radius}
}

2.2 静态方法


impl Circle {fn get_area(this: &Self) -> f64 {std::f64::consts::PI * this.radius * this.radius}
}

三、扩展方法

可以为现有类型（包括内置类型）添加方法：


trait Double {fn double(&self) -> Self;
}impl Double for i32 {fn double(&self) -> i32 {self * 2}
}

四、泛型约束与分发机制

静态分发（编译时）


fn my_print<T: ToString>(v: T) {v.to_string();
}

4.2 动态分发（运行时）


fn dynamic_dispatch(animal: &dyn Animal) {animal.make_sound();
}

五、一致性原则（孤儿规则）

Impl 块必须与 trait 或类型在同一个 crate 中
防止外部 crate 为外部类型实现外部 trait

六、Trait 与接口的区别

Trait 不是具体类型，不能直接用作：

参数类型
返回值类型
变量类型

七、Derive 派生宏

自动实现常见 trait：


#[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
struct Foo {data: i32,
}

支持的 trait：Copy, Clone, Default, Debug, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord 等

八、标记特质（Marker Traits）

标记特质是不含任何方法的特殊 trait，用于在类型系统中标记类型属性：

常见标记特质

Copy: 标记类型可以按位复制
Send: 标记类型可以安全地在线程间传递所有权
Sync: 标记类型可以安全地在线程间共享引用
Sized: 标记类型在编译时大小已知（几乎所有类型都自动实现）


// 手动实现标记特质
unsafe impl Send for MyType {}
unsafe impl Sync for MyType {}

自动 trait

Send 和 Sync 是自动 trait，满足条件时会自动实现：


// 这个结构体会自动实现 Send 和 Sync
#[derive(Debug)]
struct SafeData {value: i32,
}// 包含裸指针的结构体需要手动实现
struct UnsafeData {ptr: *mut i32,
}// 需要 unsafe 因为我们要保证线程安全
unsafe impl Send for UnsafeData {}
unsafe impl Sync for UnsafeData {}

九、类型计算与关联类型

关联类型（Associated Types）

在 trait 中定义类型占位符：


trait Graph {type Node;  // 关联类型type Edge;fn nodes(&self) -> Vec<Self::Node>;fn edges(&self, node: &Self::Node) -> Vec<Self::Edge>;
}struct MyGraph;impl Graph for MyGraph {type Node = u32;type Edge = (u32, u32);fn nodes(&self) -> Vec<Self::Node> {vec![1, 2, 3]}fn edges(&self, node: &Self::Node) -> Vec<Self::Edge> {match node {1 => vec![(1, 2), (1, 3)],2 => vec![(2, 3)],_ => vec![],}}
}

泛型关联类型（GATs）

Rust 1.65+ 支持泛型关联类型：


trait Factory {type Product<T>;fn create<T>(&self, value: T) -> Self::Product<T>;
}struct MyFactory;impl Factory for MyFactory {type Product<T> = Option<T>;fn create<T>(&self, value: T) -> Self::Product<T> {Some(value)}
}

十、标准库重要 Trait

Display vs Debug

Display: 用户友好输出，需手动实现
Debug: 调试输出，可自动派生

ToString

自动为实现了 Display 的类型提供 to_string() 方法
3. 相等性比较

PartialEq: 部分相等比较
Eq: 完全相等比较（继承自 PartialEq）

排序比较

PartialOrd: 部分排序比较
Ord: 完全排序比较

Clone 与 Copy

Clone: 显式深度拷贝
Copy: 标记 trait，表示按位拷贝

Drop

资源清理 trait：


impl Drop for Point {fn drop(&mut self) {println!("Dropping point");}
}

类型转换 Trait

From/Into


impl From<i32> for Point {fn from(x: i32) -> Self {Point { x, y: 0 }}
}

TryFrom/TryInto

可失败的类型转换：


impl TryFrom<String> for Point {type Error = ParseError;fn try_from(s: String) -> Result<Self, Self::Error> {// 解析逻辑}
}

FromStr

字符串解析：


impl FromStr for Point {type Err = ParseError;fn from_str(s: &str) -> Result<Self, Self::Err> {// 解析逻辑}
}

AsRef

引用转换 trait：


fn takes_asref_str<S: AsRef<str>>(s: S) {let s: &str = s.as_ref();
}

十一、运算符重载

通过实现特定 trait 实现运算符重载：

算术运算符

Add: +
Sub: -
Mul: *
Div: /


use std::ops::Add;impl Add for Point {type Output = Self;fn add(self, other: Self) -> Self {Point {x: self.x + other.x,y: self.y + other.y,}}
}

比较运算符

通过实现 PartialEq, PartialOrd 等 trait 实现 ==, !=, <, > 等运算符
3. 索引运算符

通过实现 Index 和 IndexMut trait 实现 [] 运算符

十二、高级 Trait 特性

Supertraits（父 trait）

一个 trait 可以要求实现者同时实现其他 trait：


trait Circle: Shape + Display {fn radius(&self) -> f64;
}

Trait 对象与对象安全

只有对象安全的 trait 才能用作 trait 对象 (dyn Trait)：

方法不能返回 Self
方法不能有泛型参数


// 对象安全的 trait
trait Draw {fn draw(&self);
}// 非对象安全的 trait（因为有泛型方法）
trait Processor {fn process<T>(&self, value: T);
}

十三、类型计算示例

使用泛型进行类型计算


trait Length {type Output;fn length(self) -> Self::Output;
}impl Length for &str {type Output = usize;fn length(self) -> Self::Output {self.len()}
}impl<T> Length for Vec<T> {type Output = usize;fn length(self) -> Self::Output {self.len()}
}

条件 trait 实现


use std::fmt::Display;struct Wrapper<T>(T);// 只为实现了 Display 的类型实现 Debug
impl<T: Display> std::fmt::Debug for Wrapper<T> {fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {write!(f, "Wrapper({})", self.0)}
}