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楔子

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所有的編程語言都致力于將重復的任務簡單化，并為此提供各種各樣的工具。在 Rust 中，泛型（generics）就是這樣一種工具，它是具體類型或其它屬性的抽象替代。在編寫代碼時，我們可以直接描述泛型的行為，以及與其它泛型產生的聯系，而無須知曉它在編譯和運行代碼時采用的具體類型。

總結一下泛型就是，提高代碼的復用能力，處理重復代碼。泛型是具體類型或者其它屬性的抽象代替，編寫的泛型代碼不是最終的代碼，而是一些模板，里面有一些占位符，編譯器在編譯的時候會將占位符替換為具體的類型。

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函數中的泛型

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函數中定義泛型的時候，我們需要將泛型定義在函數的簽名中：

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//?這種定義方式是錯誤的，因為?T?不在作用域中
//?我們要將其放在簽名里面
fn?func(arg:?T)?->?T?{
????arg?
}

//?這樣做是正確的
fn?func(arg:?T)?->?T?{
????arg
}

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里面的 T 就是一個泛型，它可以代表任意的類型，然后在編譯的時候會將其替換成具體的類型，這個過程叫做單態化。

另外這個 T 就是一個占位符，你換成別的也可以，只是我們一般寫作 T。

這里我們連續聲明了多個變量 x，這在 Rust 里面是沒有問題的，因為 Rust 有一個變量隱藏機制。然后再來看一下變量 x 的類型，雖然泛型 T 可以代表任意類型，但 Rust 在編譯的時候會執行單態化，確定泛型的具體類型。

比如傳一個 123，那么 T 就會被標記為 i32，因此返回的也是 i32，至于其它類型同理。還是那句話，T 只是一個占位符，至于它到底代表什么類型，取決于我們調用時傳遞的值是什么類型。

比如傳遞一個?&str，那么函數就會被 Rust 替換成如下：

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fn?func(arg:?&str)?->?&str?{
????arg
}

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以上過程被稱為單態化，Rust 在編譯期間會將泛型 T 替換成具體的類型。因此如果想使用泛型，那么函數簽名中的泛型一定要出現在函數參數中，然后根據調用方傳遞的值的類型，來確定泛型。

總結一下：泛型一定要在函數的簽名中，也就是在函數后面通過 <>?進行指定，否則的話泛型是無法使用的。此外，泛型還要出現在參數中，這是毫無疑問的，不然定義泛型干啥。

當然啦，泛型不止可以定義一個，定義任意個都是可以的。

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//?如果有多個泛型，那么在?<>?里面通過逗號分隔
//?然后要保證函數簽名?<>?里面聲明的泛型，
//?都要在函數參數中出現，也就是要將定義的泛型全用上
fn?func(
????arg1:?A,?arg2:?B,?arg3:?C
)?->?(C,?A)?{
????(arg3,?arg1)
}

fn?main()?{
????//?函數?func?定義了三個泛型，然后返回的類型是?(C,?A)
????//?這里傳遞三個參數，顯然當調用時，Rust?會確定泛型代表的類型
????//?A?是?i32，B?是?f64，C?是?&str
????let?x?=?func(123,?3.14,?"你好");

????//?泛型可以接收任何類型，那么當調用時
????//?A?是?Vec，B?是?[i32;2]，C?是?(i32,?i32)
????let?y?=?func(vec![1,?2],?[1,?2],?(3,?4));
}

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這里我們定義了三個泛型，然后返回的類型是 (C, A)。而 Rust 會根據參數的類型，來確定泛型，所以變量 x 是 (&str, i32) 類型，變量 y 是?((i32,?i32), Vec) 類型。

事實上 IDE 也已經推斷出來了，總的來說泛型應該不難理解。

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結構體中的泛型

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如果一個結構體成員的類型不確定，那么也可以定義為泛型。

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struct?Point?{
????x:?T,
????y:?T
}

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和函數一樣，泛型一定要寫在 <> 當中作為簽名出現，然后才可以使用，相當于告訴 Rust 都定義了哪些泛型。然后簽名中的泛型，一定要全部使用，會根據函數調用時給參數傳的值、或者實例化結構體時給成員傳的值，來確定泛型代表哪一種類型。

如果簽名中的泛型沒有全部使用，那么 Rust 就無法執行單態化，于是報錯。所以泛型一定要全部使用，再說了，不使用的話，定義它干嘛。

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struct?Point?{
????x:?T,
????y:?T
}

fn?main()?{
????let?p1?=?Point{x:?11,?y:?22};
????let?p2?=?Point{x:?11.1,?y:?22.2};
}

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T 只是一個占位符，具體什么類型要由我們傳遞的內容決定，可以是 i32，可以是 f64。但由于成員 x 和 y 的類型都是 T，所以它們的類型一定是一樣的，要是 i32 則都是 i32，要是 f64 則都是 f64。

如果希望類型不同，那么只需要兩個泛型即可。

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struct?Point?{
????x:?T,
????y:?U
}

fn?main()?{
????//?x?和?y?的類型可以相同，也可以不同
????//?因為它們都可以接收任意類型
????let?p1?=?Point{x:?11,?y:?22};
????let?p2?=?Point{x:?11.1,?y:?22.2};
????let?p3?=?Point{x:?"11.1",?y:?String::from("satori")};
????let?p3?=?Point{x:?vec![1,?2,?3],?y:?(1,?2,?3)};
}

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還是那句話，泛型可以接收任意類型，想傳啥都行，具體根據我們傳遞的值來確定。

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枚舉中的泛型

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枚舉也是支持泛型的，比如之前使用的 Option?就是一種泛型，它的結構如下：

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enum?Option?{
????Some(T),
????None
}

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里面的 T 可以代表任意類型，然后我們再來自定義一個枚舉。

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//?簽名中的泛型參數必須都要使用
//?比如函數簽名的泛型，要全部體現在參數中
//?枚舉和結構體簽名的泛型，要全部體現在成員中
enum?MyOption?{
????//?這里?A、B、C?都是我們隨便定義的，可以代指任意類型
????//?具體是哪種類型，則看我們傳遞了什么
????Some1(A),
????Some2(B),
????Some3(C),
}

fn?main()?{
????//?泛型不影響效率，是因為?Rust?要進行單態化
????//?所以泛型究竟代表哪一種類型要提前確定好
????//?這里必須要顯式指定?x?的類型。枚舉和結構體不同
????//?結構體每個成員都要賦值，所以?Rust?能夠基于賦的值推斷出所有的泛型
????//?但枚舉的話，每次只會用到里面的一個成員
????//?如果還有其它泛型，那么?Rust?就無法推斷了
????//?比如這里只能推斷出泛型?C?代表的類型，而?A?和?B?就無法推斷了
????//?因此每個泛型代表什么類型，需要我們手動指定好
????let?x:?MyOption?=?MyOption::Some3(123);
????match?x?{
????????MyOption::Some1(v)?=>?println!("我是?i32"),
????????MyOption::Some2(v)?=>?println!("我是?f64"),
????????MyOption::Some3(v)?=>?println!("我是?u8"),
????}

????//?泛型可以代表任意類型，指定啥都是可以的
????let?y:?MyOption?=
????????MyOption::Some3(String::from("xxx"));
????match?y?{
????????MyOption::Some1(v)?=>?println!("我是?u8"),
????????MyOption::Some2(v)?=>?println!("我是?i32"),
????????MyOption::Some3(v)?=>?println!("我是?String"),
????}
????
????/*
????我是?u8
????我是?String
????*/
}

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如果覺得上面的例子不好理解的話，那么再舉個簡單的例子：

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enum?MyOption?{
????MySome1(T),
????MySome2(i32),
????MySome3(T),
????MyNone
}

fn?main()?{
????//?這里我們沒有指定?x?的類型
????//?這是因為?MyOption?只有一個泛型
????//?通過給?MySome1?傳遞的值，可以推斷出?T?的類型
????let?x?=?MyOption::MySome1(123);

????//?同樣的道理，Rust?可以自動推斷，得出?T?是?&str
????let?x?=?MyOption::MySome3("123");

????//?但此處就無法自動推斷了，因為賦值的是?MySome2?成員
????//?此時?Rust?獲取不到任何有關?T?的信息，無法執行推斷
????//?因此我們需要手動指定類型，但仔細觀察一下聲明
????//?首先，如果沒有泛型的話，那么直接?let?x:?MyOption?=?...?即可
????//?但里面有泛型，所以此時除了類型之外，還要連同泛型一起指定
????//?也就是?MyOption
????let?x:?MyOption?=?MyOption::MySome2(123);

????//?當然泛型可以代表任意類型，此時的?T?則是一個?Vec?類型
????let?x:?MyOption>?=?MyOption::MySome2(123);
}

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所以一定要注意：在聲明變量的時候，如果 Rust 不能根據我們賦的值推斷出泛型代表的類型，那么我們必須要手動聲明類型，來告訴 Rust 泛型的相關信息，這樣才可以執行單態化。

對于結構體也是同樣的道理：

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struct?Girl1?{
????field:?i32,
}

struct?Girl2?{
????field:?T,
}

fn?main()?{
????//?下面兩個語句類似，只是第二次聲明?g1?的時候多指定了類型
????let?g1?=?Girl1?{?field:?123?};
????let?g1:?Girl1?=?Girl1?{?field:?123?};

????//?下面兩條語句也是類似的，第二次聲明?g2?的時候多指定了類型
????//?但此時的類型有些不一樣，Girl2?的結尾多了一個?
????//?原因很簡單，因為?Girl2?里面有泛型
????//?所以在顯式指定類型的時候，還要將泛型代表的類型一塊指定，否則報錯
????let?g2?=?Girl2?{?field:?123?};
????let?g2:?Girl2?=?Girl2?{?field:?123?};
}

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然后還有一點比較重要，就是在聲明的時候，只需在 <> 里面指定泛型即可，什么意思呢？舉個例子：

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struct?Girl?{
????field1:?String,
????field2:?T,
????field3:?W,
????field4:?E,
????field5:?i32,
}

fn?main()?{
????//?這里可以不指定類型，因為?Rust?可以推斷出來
????//?不過這里我們就顯式指定。而雖然 Girl 有 5 個成員
????//?但泛型的數量是三個，因此聲明變量的時候也要指定三個
????//?由于定義結構體的時候，泛型順序是?E?T?W
????//?所以這里的?f64?就是?E，u8?就是?T，Vec?就是?W
????let?g:?Girl>?=?Girl?{
????????field1:?String::from("hello"),
????????field2:?123u8,
????????field3:?vec![1,?2,?3],
????????field4:?3.14,
????????field5:?666,
????};
}

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以上就是在枚舉中使用泛型，并且針對泛型的用法稍微多啰嗦了一些。

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方法中的泛型

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我們也可以對方法實現泛型，舉個例子：

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struct?Point?{
????x:?T,
????y:?U
}

//?針對?i32、f64?實現的方法
//?只有傳遞的?T、U?對應?i32、f64?才可以調用
impl?Point?{
????fn?m1(&self)?{
????????println!("我是?m1?方法")
????}
}

fn?main()?{
????let?p1?=?Point{x:?123,?y:?3.14};
????p1.m1();??//?我是?m1?方法

????let?p2?=?Point{x:?3.14,?y:?123};
????//p2.m1();
????//調用失敗，因為?T?和?U?不是?i32、f64，而是?f64、i32
????//所以?p2?無法調用?m1?方法
}

?

可能有人好奇了，聲明方法的時候不考慮泛型可不可以，也就是 impl Point {}。答案是不可以，如果結構體中有泛型，那么聲明方法的時候必須指定。但這就產生了一個問題，那就是只有指定類型的結構體才能調用方法。

比如上述代碼，只有當 x 和 y 分別為 i32、f64 時，才可以調用方法，如果我希望所有的結構體實例都可以調用呢？

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struct?Point?{
????x:?T,
????y:?U
}

//?針對?K、f64?實現的方法，由于?K?是一個泛型
//?所以它可以代表任何類型（泛型只是一個符號）
//?因此不管?T?最終是什么類型，i32?也好、&str?也罷
//?K?都可以接收，只要?U?是?f64?即可
//?然后注意：如果聲明方法時結構體后面指定了泛型
//?那么必須將使用的泛型在?impl?后面聲明
impl??Point?{
????fn?m1(&self)?{
????????println!("我是?m1?方法")
????}
}

//?此時?K?和?S?都是泛型，那么此時對結構體就沒有要求了
//?因為不管?T?和?W?代表什么，K?和?S?都能表示，因為它們都是泛型
impl??Point?{
????fn?m2(&self)?{
????????println!("我是?m2?方法")
????}
}

//?這里我們沒有使用泛型，所以也就無需在?impl?后面聲明
//?但很明顯，此時結構體實例如果想調用?m3?方法
//?那么必須滿足?T?是?u8，W?是?f64
impl?Point?{
????fn?m3(&self)?{
????????println!("我是?m3?方法")
????}
}

fn?main()?{
????//?顯然?p1?可以同時調用?m1?和?m2?方法，但?m3?不行
????//?因為?m3?要求?T?是一個?u8，而當前是?&str
????let?p1?=?Point{x:?"hello",?y:?3.14};
????p1.m1();??//?我是?m1?方法
????p1.m2();??//?我是?m2?方法

????//?顯然?p2?可以同時調用?m1、m2、m3
????//?另外這里的?x?可以直接寫成?123，無需在結尾加上?u8
????//?因為?Rust?看到我們調用了?m3?方法，會自動推斷為?u8
????let?p2?=?Point{x:?123u8,?y:?3.14};
????p2.m1();??//?我是?m1?方法
????p2.m2();??//?我是?m2?方法
????p2.m3();??//?我是?m3?方法

????//?顯然?p3?只能調用?m2?方法，因為?m2?對?T?和?W?沒有要求
????//?但是像?m3?就不能調用，因為它是為??實現的方法
????//?只有當?T、W?為?u8、f64?時才可以調用
????//?顯然此時是不滿足的，因為都是?&str，至于?m1?方法也是同理
????//?所以?p3?只能調用?m2，這個方法是為??實現的
????//?而?K?和?S?也是泛型，可以代表任意類型，因此沒問題
????let?p3?=?Point{x:?"3.14",?y:?"123"};
????p3.m2();??//?我是?m2?方法
}

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然后注意：我們上面的泛型本質上針對的還是結構體，而我們定義方法的時候也可以指定泛型，其語法和在函數中定義泛型是一樣的。

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#[derive(Debug)]
struct?Point?{
????x:?T,
????y:?U,
}

//?使用?impl?時?Point?后面的泛型名稱可以任意
//?比如我們之前起名為?K?和?S，但這樣容易亂，因為字母太多了
//?所以建議：使用 impl 時的泛型和定義結構體時的泛型保持一致即可
impl?Point?{
????//?方法類似于函數，它是一個獨立的個體，可以有自己獨立的泛型
????//?然后返回值，因為?Point?里面是泛型，可以代表任意類型
????//?那么自然也可以是其它的泛型
????fn?m1(self,?a:?V,?b:?W)?->?Point?{
????????//?所以返回值的成員?x?的類型是?U，那么它應該來自于?self.y
????????//?成員?y?的類型是?W，它來自于參數?b
????????Point?{?x:?self.y,?y:?b?}
????}
}

fn?main()?{
????//?T?是?i32，U?是?f64
????let?p1?=?Point?{?x:?123,?y:?3.14?};
????//?V?是?&str，W?是?(i32,?i32,?i32)
????println!("{:?}",?p1.m1("xx",?(1,?2,?3)))
????//?Point?{?x:?3.14,?y:?(1,?2,?3)?}
}

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以上就是 Rust 的泛型，當然在工作中我們不會聲明的這么復雜，這里只是為了更好掌握泛型的語法。

然后注意一下方法里面的 self，不是說方法的第一個參數應該是引用嗎？理論上是這樣的，但此處不行，而且如果寫成 &self 是會報錯的，會告訴我們沒有實現 Copy 這個 trait。

之所以會有這個現象，是因為我們在返回值當中將 self.y 賦值給了成員 x。那么問題來了，如果方法的第一個參數是引用，就意味著結構體在調用完方法之后還能繼續用，那么結構體內部所有成員的值都必須有效，否則結構體就沒法用了。這個動態數組相似，如果動態數組是有效的，那么內部的所有元素必須都是有效的，否則就可能訪問非法的內存。

因此在構建返回值、將 self.y 賦值給成員 x 的時候，就必須將 self.y 拷貝一份，并且還要滿足拷貝完之后數據是各自獨立的，互不影響。如果 self.y 的數據全部在棧上（可 Copy 的），那么這是沒問題的；如果涉及到堆，那么只能轉移 self.y 的所有權，因為 Rust 默認不會拷貝堆數據，但如果轉移所有權，那么方法調用完之后結構體就不能用了，這與我們將第一個參數聲明為引用的目的相矛盾。

所以 Rust 要求 self.y 必須是可 Copy 的，也就是數據必須都在棧上，這樣才能滿足在不拷貝堆數據的前提下，讓 self.y 賦值之后依舊保持有效。但問題是，self.y 的類型是 U，而 U 代表啥類型 Rust 又不知道，所以 Rust 認為 U 不是可 Copy 的，或者說沒有實現 Copy 這個 trait，于是報錯。

因此第一個參數必須聲明為 self，此時泛型是否實現 Copy 就不重要了，沒實現的話會直接轉移所有權。因為該結構體實例在調用完方法之后會被銷毀，不再被使用，那么此時可以轉移內部成員的所有權。正所謂人都沒了，還要這所有權有啥用，不如在銷毀之前將成員值的所有權交給別人。

最后說一下泛型代碼的性能，使用泛型的代碼和使用具體類型的速度是一樣的，因此這就要求 Rust 在編譯的時候能夠推斷出泛型的具體類型，所以類型要明確。

下一篇文章我們來學習 trait，這個 trait 我們提到過很多次了，但卻一直不知道它究竟代表啥，下一篇文章來揭開它的面紗。