面向對象語言的特點 - Rust 程式設計語言繁體中文版

面向對象語言的特徵

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commit 34caca254c3e08ff9fe3ad985007f45e92577c03

關於一個語言被稱為面向對象所需的功能，在編程社區內並未達成一致意見。Rust 被很多不同的程式範式影響，包括面向對象編程；比如第十三章提到了來自函數式編程的特性。面向對象程式語言所共享的一些特性往往是對象、封裝和繼承。讓我們看一下這每一個概念的含義以及 Rust 是否支持他們。

由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides（Addison-Wesley Professional, 1994）編寫的書 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software 被俗稱為 The Gang of Four (字面意思為“四人幫”)，它是面向對象編程模式的目錄。它這樣定義面向對象編程：

Object-oriented programs are made up of objects. An object packages both data and the procedures that operate on that data. The procedures are typically called methods or operations.

面向對象的程序是由對象組成的。一個對象包含數據和操作這些數據的過程。這些過程通常被稱為方法或操作。

在這個定義下，Rust 是面向對象的：結構體和枚舉包含數據而 impl 塊提供了在結構體和枚舉之上的方法。雖然帶有方法的結構體和枚舉並不被稱為對象，但是他們提供了與對象相同的功能，參考 The Gang of Four 中對象的定義。

封裝隱藏了實現細節

另一個通常與面向對象編程相關的方面是封裝（encapsulation）的思想：對象的實現細節不能被使用對象的代碼獲取到。所以唯一與對象交互的方式是通過對象提供的公有 API；使用對象的代碼無法深入到對象內部並直接改變數據或者行為。封裝使得改變和重構對象的內部時無需改變使用對象的代碼。

就像我們在第七章討論的那樣：可以使用 pub 關鍵字來決定模組、類型、函數和方法是公有的，而默認情況下其他一切都是私有的。比如，我們可以定義一個包含一個 i32 類型 vector 的結構體 AveragedCollection 。結構體也可以有一個欄位，該欄位保存了 vector 中所有值的平均值。這樣，希望知道結構體中的 vector 的平均值的人可以隨時獲取它，而無需自己計算。換句話說，AveragedCollection 會為我們快取平均值結果。範例 17-1 有 AveragedCollection 結構體的定義：

檔案名: src/lib.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}
}

範例 17-1: AveragedCollection 結構體維護了一個整型列表和集合中所有元素的平均值。

注意，結構體自身被標記為 pub，這樣其他代碼就可以使用這個結構體，但是在結構體內部的欄位仍然是私有的。這是非常重要的，因為我們希望保證變數被增加到列表或者被從列表刪除時，也會同時更新平均值。可以通過在結構體上實現 add、remove 和 average 方法來做到這一點，如範例 17-2 所示：

檔案名: src/lib.rs


#![allow(unused)]
fn main() {
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;
    }
}
}

範例 17-2: 在AveragedCollection 結構體上實現了add、remove 和 average 公有方法

公有方法 add、remove 和 average 是修改 AveragedCollection 實例的唯一方式。當使用 add 方法把一個元素加入到 list 或者使用 remove 方法來刪除時，這些方法的實現同時會調用私有的 update_average 方法來更新 average 欄位。

list 和 average 是私有的，所以沒有其他方式來使得外部的代碼直接向 list 增加或者刪除元素，否則 list 改變時可能會導致 average 欄位不同步。average 方法返回 average 欄位的值，這使得外部的代碼只能讀取 average 而不能修改它。

因為我們已經封裝好了 AveragedCollection 的實現細節，將來可以輕鬆改變類似數據結構這些方面的內容。例如，可以使用 HashSet<i32> 代替 Vec<i32> 作為 list 欄位的類型。只要 add、remove 和 average 公有函數的簽名保持不變，使用 AveragedCollection 的代碼就無需改變。相反如果使得 list 為公有，就未必都會如此了： HashSet<i32> 和 Vec<i32> 使用不同的方法增加或移除項，所以如果要想直接修改 list 的話，外部的代碼可能不得不做出修改。

如果封裝是一個語言被認為是面向對象語言所必要的方面的話，那麼 Rust 滿足這個要求。在代碼中不同的部分使用 pub 與否可以封裝其實現細節。

繼承，作為類型系統與代碼共享

繼承（Inheritance）是一個很多程式語言都提供的機制，一個對象可以定義為繼承另一個對象的定義，這使其可以獲得父對象的數據和行為，而無需重新定義。

如果一個語言必須有繼承才能被稱為面向對象語言的話，那麼 Rust 就不是面向對象的。無法定義一個結構體繼承父結構體的成員和方法。然而，如果你過去常常在你的程式工具箱使用繼承，根據你最初考慮繼承的原因，Rust 也提供了其他的解決方案。

選擇繼承有兩個主要的原因。第一個是為了重用代碼：一旦為一個類型實現了特定行為，繼承可以對一個不同的類型重用這個實現。相反 Rust 代碼可以使用默認 trait 方法實現來進行共享，在範例 10-14 中我們見過在 Summary trait 上增加的 summarize 方法的默認實現。任何實現了 Summary trait 的類型都可以使用 summarize 方法而無須進一步實現。這類似於父類有一個方法的實現，而通過繼承子類也擁有這個方法的實現。當實現 Summary trait 時也可以選擇覆蓋 summarize 的默認實現，這類似於子類覆蓋從父類繼承的方法實現。

第二個使用繼承的原因與類型系統有關：表現為子類型可以用於父類型被使用的地方。這也被稱為多態（polymorphism），這意味著如果多種對象共享特定的屬性，則可以相互替代使用。

多態（Polymorphism）

很多人將多態描述為繼承的同義詞。不過它是一個有關可以用於多種類型的代碼的更廣泛的概念。對於繼承來說，這些類型通常是子類。 Rust 則透過泛型來對不同的可能類型進行抽象，並通過 trait bounds 對這些類型所必須提供的內容施加約束。這有時被稱為 bounded parametric polymorphism。

近來繼承作為一種語言設計的解決方案在很多語言中失寵了，因為其時常帶有共享多於所需的代碼的風險。子類不應總是共享其父類的所有特徵，但是繼承卻始終如此。如此會使程式設計更為不靈活，並引入無意義的子類方法調用，或由於方法實際並不適用於子類而造成錯誤的可能性。某些語言還只允許子類繼承一個父類，進一步限制了程式設計的靈活性。

因為這些原因，Rust 選擇了一個不同的途徑，使用 trait 對象而不是繼承。讓我們看一下 Rust 中的 trait 對象是如何實現多態的。

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面向對象語言的特徵

對象包含數據和行為

封裝隱藏了實現細節

繼承，作為類型系統與代碼共享

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