Rust 编程语言

定义枚举

结构体为您提供了一种将相关的字段和数据组合在一起的方法，例如具有 width 和 height 的 Rectangle，而枚举则为您提供了一种表示一个值是可能值集之一的方法。例如，我们可能想说 Rectangle 是一组可能的形状之一，其中也包括 Circle 和 Triangle。为了做到这一点，Rust 允许我们将这些可能性编码为枚举。

让我们看看一个我们可能想在代码中表达的情况，并了解为什么枚举在这种情况下有用且比结构体更合适。假设我们需要处理 IP 地址。目前，IP 地址使用两个主要标准：版本四和版本六。因为这些是我们程序将遇到的 IP 地址的唯一可能性，所以我们可以枚举所有可能的变体，这就是枚举名称的由来。

任何 IP 地址可以是版本四地址或版本六地址，但不能同时是两者。IP 地址的这个特性使得枚举数据结构非常适用，因为枚举值只能是其变体之一。版本四和版本六地址本质上仍然是 IP 地址，因此当代码处理适用于任何类型 IP 地址的情况时，应将它们视为同一类型。

我们可以通过定义一个 IpAddrKind 枚举并列出 IP 地址可能具有的种类（V4 和 V6）来在代码中表达这个概念。这些是枚举的变体

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

IpAddrKind 现在是一种自定义数据类型，我们可以在代码的其他地方使用它。

枚举值

我们可以像这样创建 IpAddrKind 的两个变体的实例

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

请注意，枚举的变体在其标识符下命名空间，我们使用双冒号分隔两者。这很有用，因为现在 IpAddrKind::V4 和 IpAddrKind::V6 两个值都是相同的类型：IpAddrKind。例如，我们可以定义一个接受任何 IpAddrKind 的函数

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

我们可以使用任一变体调用此函数

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

使用枚举有更多优势。更深入地考虑我们的 IP 地址类型，目前我们没有办法存储实际的 IP 地址数据；我们只知道它的种类。鉴于您刚刚在第 5 章中学习了结构体，您可能会想用结构体来解决这个问题，如清单 6-1 所示。

fn main() {
    enum IpAddrKind {
        V4,
        V6,
    }

    struct IpAddr {
        kind: IpAddrKind,
        address: String,
    }

    let home = IpAddr {
        kind: IpAddrKind::V4,
        address: String::from("127.0.0.1"),
    };

    let loopback = IpAddr {
        kind: IpAddrKind::V6,
        address: String::from("::1"),
    };
}

在这里，我们定义了一个结构体 IpAddr，它有两个字段：一个类型为 IpAddrKind（我们之前定义的枚举）的 kind 字段和一个类型为 String 的 address 字段。我们有两个这个结构体的实例。第一个是 home，它的 kind 值为 IpAddrKind::V4，关联的地址数据为 127.0.0.1。第二个实例是 loopback。它的 kind 值为 IpAddrKind 的另一个变体 V6，并且关联的地址为 ::1。我们使用结构体将 kind 和 address 值捆绑在一起，因此现在变体与值相关联。

然而，仅使用枚举来表示相同的概念更加简洁：我们可以将数据直接放入每个枚举变体中，而不是在结构体中使用枚举。IpAddr 枚举的这个新定义表明 V4 和 V6 变体都将具有关联的 String 值

fn main() {
    enum IpAddr {
        V4(String),
        V6(String),
    }

    let home = IpAddr::V4(String::from("127.0.0.1"));

    let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}

我们将数据直接附加到枚举的每个变体，因此不需要额外的结构体。在这里，也更容易看到枚举工作的另一个细节：我们定义的每个枚举变体的名称也变成了一个构造枚举实例的函数。也就是说，IpAddr::V4() 是一个函数调用，它接受一个 String 参数并返回 IpAddr 类型的实例。我们自动获得这个构造函数，这是定义枚举的结果。

使用枚举而不是结构体还有另一个优势：每个变体可以具有不同类型和数量的关联数据。版本四 IP 地址始终具有四个数字组件，这些组件的值介于 0 到 255 之间。如果我们想将 V4 地址存储为四个 u8 值，但仍然将 V6 地址表示为一个 String 值，我们将无法使用结构体来实现。枚举可以轻松处理这种情况

fn main() {
    enum IpAddr {
        V4(u8, u8, u8, u8),
        V6(String),
    }

    let home = IpAddr::V4(127, 0, 0, 1);

    let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}

我们已经展示了几种不同的方法来定义数据结构以存储版本四和版本六 IP 地址。然而，事实证明，想要存储 IP 地址并编码它们的种类非常常见，以至于 标准库有一个我们可以使用的定义！让我们看看标准库如何定义 IpAddr：它具有我们定义和使用的完全相同的枚举和变体，但它以两种不同结构体的形式将地址数据嵌入到变体中，这两种结构体对于每个变体都有不同的定义

#![allow(unused)]
fn main() {
struct Ipv4Addr {
    // --snip--
}

struct Ipv6Addr {
    // --snip--
}

enum IpAddr {
    V4(Ipv4Addr),
    V6(Ipv6Addr),
}
}

这段代码说明您可以将任何类型的数据放入枚举变体中：例如，字符串、数字类型或结构体。您甚至可以包含另一个枚举！此外，标准库类型通常并不比您可能想出的类型复杂多少。

请注意，即使标准库包含 IpAddr 的定义，我们仍然可以创建和使用我们自己的定义而不会发生冲突，因为我们没有将标准库的定义引入我们的作用域。我们将在第 7 章中详细讨论将类型引入作用域。

让我们看看清单 6-2 中的另一个枚举示例：这个枚举的变体中嵌入了各种各样的类型。

enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y: i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

fn main() {}

此枚举有四个具有不同类型的变体

• Quit 根本没有关联任何数据。
• Move 具有命名字段，就像结构体一样。
• Write 包含单个 String。
• ChangeColor 包含三个 i32 值。

定义具有清单 6-2 中变体的枚举类似于定义不同种类的结构体定义，只是枚举不使用 struct 关键字，并且所有变体都分组在 Message 类型下。以下结构体可以保存与前面的枚举变体相同的数据

struct QuitMessage; // unit struct
struct MoveMessage {
    x: i32,
    y: i32,
}
struct WriteMessage(String); // tuple struct
struct ChangeColorMessage(i32, i32, i32); // tuple struct

fn main() {}

但是，如果我们使用不同的结构体，每个结构体都有自己的类型，我们就不能像使用清单 6-2 中定义的 Message 枚举那样轻松地定义一个函数来接受任何这些类型的消息，Message 枚举是单一类型。

枚举和结构体之间还有一个相似之处：正如我们能够使用 impl 在结构体上定义方法一样，我们也能够在枚举上定义方法。这是一个名为 call 的方法，我们可以在我们的 Message 枚举上定义它

fn main() {
    enum Message {
        Quit,
        Move { x: i32, y: i32 },
        Write(String),
        ChangeColor(i32, i32, i32),
    }

    impl Message {
        fn call(&self) {
            // method body would be defined here
        }
    }

    let m = Message::Write(String::from("hello"));
    m.call();
}

该方法的主体将使用 self 来获取我们调用该方法的值。在本例中，我们创建了一个变量 m，它的值为 Message::Write(String::from("hello"))，这将是当 m.call() 运行时 call 方法主体中的 self。

让我们看看标准库中的另一个非常常见且有用的枚举：Option。

Option 枚举及其优于空值的优势

本节探讨 Option 的案例研究，Option 是标准库定义的另一个枚举。Option 类型编码了一种非常常见的场景，即一个值可能存在，也可能不存在。

例如，如果您请求非空列表中的第一项，您将获得一个值。如果您请求空列表中的第一项，您将一无所获。用类型系统表达这个概念意味着编译器可以检查您是否处理了所有应该处理的情况；此功能可以防止在其他编程语言中极其常见的错误。

编程语言设计通常从您包含哪些功能来考虑，但您排除的功能也很重要。Rust 没有许多其他语言都具有的 null 功能。Null 是一个值，表示那里没有值。在具有 null 的语言中，变量始终可以处于两种状态之一：null 或非 null。

在他的 2009 年演讲“Null 引用：十亿美元的错误”中，null 的发明者 Tony Hoare 这样说

我称之为我十亿美元的错误。当时，我正在为面向对象语言中的引用设计第一个全面的类型系统。我的目标是确保所有引用的使用都应该是绝对安全的，并且由编译器自动执行检查。但我无法抗拒放入空引用的诱惑，仅仅是因为它太容易实现了。这导致了无数的错误、漏洞和系统崩溃，在过去的四十年里，这可能造成了十亿美元的痛苦和损失。

空值的问题在于，如果您尝试将空值用作非空值，您将得到某种错误。由于这种 null 或非 null 属性是普遍存在的，因此非常容易犯这种错误。

然而，null 试图表达的概念仍然是有用的：null 是一个当前无效或由于某种原因不存在的值。

问题实际上不在于概念，而在于特定的实现。因此，Rust 没有 null，但它确实有一个枚举可以编码值存在或不存在的概念。这个枚举是 Option<T>，它由 标准库定义如下所示

#![allow(unused)]
fn main() {
enum Option<T> {
    None,
    Some(T),
}
}

Option<T> 枚举非常有用，甚至包含在 prelude 中；您无需显式将其引入作用域。它的变体也包含在 prelude 中：您可以直接使用 Some 和 None，而无需 Option:: 前缀。Option<T> 枚举仍然只是一个常规枚举，Some(T) 和 None 仍然是 Option<T> 类型的变体。

<T> 语法是 Rust 的一个特性，我们尚未讨论。它是一个泛型类型参数，我们将在第 10 章中更详细地介绍泛型。现在，您只需要知道 <T> 意味着 Option 枚举的 Some 变体可以保存任何类型的一段数据，并且在 T 位置使用的每个具体类型都会使整体 Option<T> 类型成为不同的类型。以下是一些使用 Option 值来保存数字类型和 char 类型的示例

fn main() {
    let some_number = Some(5);
    let some_char = Some('e');

    let absent_number: Option<i32> = None;
}

some_number 的类型是 Option<i32>。some_char 的类型是 Option<char>，这是一个不同的类型。Rust 可以推断这些类型，因为我们在 Some 变体中指定了一个值。对于 absent_number，Rust 要求我们注释整体 Option 类型：编译器无法仅通过查看 None 值来推断相应的 Some 变体将保存的类型。在这里，我们告诉 Rust 我们希望 absent_number 的类型为 Option<i32>。

当我们有一个 Some 值时，我们知道一个值存在，并且该值保存在 Some 中。当我们有一个 None 值时，在某种意义上，它与 null 的含义相同：我们没有有效值。那么，为什么拥有 Option<T> 比拥有 null 更好呢？

简而言之，因为 Option<T> 和 T（其中 T 可以是任何类型）是不同的类型，编译器不会让我们将 Option<T> 值用作它肯定是有效值。例如，这段代码将无法编译，因为它试图将 i8 添加到 Option<i8>

fn main() {
    let x: i8 = 5;
    let y: Option<i8> = Some(5);

    let sum = x + y;
}

如果我们运行这段代码，我们会收到如下错误消息

$ cargo run
   Compiling enums v0.1.0 (file:///projects/enums)
error[E0277]: cannot add `Option<i8>` to `i8`
 --> src/main.rs:5:17
  |
5 |     let sum = x + y;
  |                 ^ no implementation for `i8 + Option<i8>`
  |
  = help: the trait `Add<Option<i8>>` is not implemented for `i8`
  = help: the following other types implement trait `Add<Rhs>`:
            `&'a i8` implements `Add<i8>`
            `&i8` implements `Add<&i8>`
            `i8` implements `Add<&i8>`
            `i8` implements `Add`

For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.
error: could not compile `enums` (bin "enums") due to 1 previous error

太棒了！实际上，此错误消息意味着 Rust 不理解如何将 i8 和 Option<i8> 相加，因为它们是不同的类型。当我们在 Rust 中有一个 i8 类型的 value 时，编译器将确保我们始终有一个有效值。我们可以自信地继续操作，而无需在使用该值之前检查 null。只有当我们有一个 Option<i8>（或我们正在使用的任何类型的值）时，我们才需要担心可能没有值，并且编译器将确保我们在使用该值之前处理这种情况。

换句话说，您必须将 Option<T> 转换为 T，然后才能对其执行 T 操作。通常，这有助于捕获 null 最常见的错误之一：假设某些东西不是 null，但实际上是 null。

消除错误地假设非 null 值的风险有助于您对代码更加自信。为了拥有一个可能为 null 的值，您必须通过将该值的类型设置为 Option<T> 来显式选择加入。然后，当您使用该值时，您需要显式处理该值为 null 的情况。在值的类型不是 Option<T> 的任何地方，您可以安全地假设该值不是 null。这是 Rust 的一个深思熟虑的设计决策，旨在限制 null 的普遍性并提高 Rust 代码的安全性。

那么，当您有一个 Option<T> 类型的值时，您如何从 Some 变体中获取 T 值，以便您可以使用该值？Option<T> 枚举有大量在各种情况下都有用的方法；您可以在 其文档 中查看它们。熟悉 Option<T> 上的方法对您的 Rust 之旅将非常有用。

一般来说，为了使用 Option<T> 值，您需要编写代码来处理每个变体。您需要一些代码仅在您具有 Some(T) 值时运行，并且该代码允许使用内部 T。您需要一些其他代码仅在您具有 None 值时运行，并且该代码没有可用的 T 值。match 表达式是一个控制流构造，当与枚举一起使用时，它正好可以做到这一点：它将根据它具有的枚举变体运行不同的代码，并且该代码可以使用匹配值内部的数据。