泛型数据类型
我们使用泛型来创建函数签名或结构体等项目的定义，然后我们可以将这些定义与许多不同的具体数据类型一起使用。让我们首先看看如何使用泛型定义函数、结构体、枚举和方法。然后，我们将讨论泛型如何影响代码性能。
在函数定义中
在定义使用泛型的函数时，我们将泛型放在函数签名中通常指定参数和返回值数据类型的位置。这样做使我们的代码更加灵活，并为函数的调用者提供更多功能，同时防止代码重复。
继续我们的 largest 函数，代码清单 10-4 展示了两个函数，它们都在切片中查找最大值。然后，我们将它们合并成一个使用泛型的函数。
文件名：src/main.rs
fn largest_i32(list: &[i32]) -> &i32 { let mut largest = &list[0]; for item in list { if item > largest { largest = item; } } largest } fn largest_char(list: &[char]) -> &char { let mut largest = &list[0]; for item in list { if item > largest { largest = item; } } largest } fn main() { let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65]; let result = largest_i32(&number_list); println!("The largest number is {result}"); assert_eq!(*result, 100); let char_list = vec!['y', 'm', 'a', 'q']; let result = largest_char(&char_list); println!("The largest char is {result}"); assert_eq!(*result, 'y'); }
代码清单 10-4：两个函数仅在其名称和签名中的类型方面有所不同
largest_i32 函数是我们从代码清单 10-3 中提取的，用于在切片中查找最大的 i32。largest_char 函数在切片中查找最大的 char。函数体具有相同的代码，因此让我们通过在单个函数中引入泛型类型参数来消除重复。
要参数化新单个函数中的类型，我们需要命名类型参数，就像我们对函数的值参数所做的那样。您可以使用任何标识符作为类型参数名称。但是我们将使用 T，因为按照惯例，Rust 中的类型参数名称很短，通常只是一个字母，而 Rust 的类型命名约定是 UpperCamelCase。T 是“类型”的缩写，是大多数 Rust 程序员的默认选择。
当我们在函数体中使用参数时，必须在函数签名中声明参数名称，以便编译器知道该名称的含义。同样，当我们在函数签名中使用类型参数名称时，必须先声明类型参数名称，然后才能使用它。要定义泛型 largest 函数，请将类型名称声明放在尖括号 <> 中，位于函数名称和参数列表之间，如下所示：
fn largest<T>(list: &[T]) -> &T {我们将此定义理解为：函数 largest 是对某种类型 T 的泛型。此函数有一个名为 list 的参数，它是一个类型为 T 的值的切片。largest 函数将返回对相同类型 T 的值的引用。
清单 10-5 显示了组合的 largest 函数定义，该定义在其签名中使用了泛型数据类型。该清单还显示了我们如何使用 i32 值或 char 值的切片来调用该函数。请注意，此代码尚无法编译，但我们将在本章稍后修复它。
文件名：src/main.rs
fn largest<T>(list: &[T]) -> &T {
let mut largest = &list[0];
for item in list {
if item > largest {
largest = item;
}
}
largest
}
fn main() {
let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];
let result = largest(&number_list);
println!("The largest number is {result}");
let char_list = vec!['y', 'm', 'a', 'q'];
let result = largest(&char_list);
println!("The largest char is {result}");
}清单 10-5：使用泛型类型参数的 largest 函数；这还不能编译
如果我们现在编译此代码，将会收到以下错误：
$ cargo run
Compiling chapter10 v0.1.0 (file:///projects/chapter10)
error[E0369]: binary operation `>` cannot be applied to type `&T`
--> src/main.rs:5:17
|
5 | if item > largest {
| ---- ^ ------- &T
| |
| &T
|
help: consider restricting type parameter `T`
|
1 | fn largest<T: std::cmp::PartialOrd>(list: &[T]) -> &T {
| ++++++++++++++++++++++
For more information about this error, try `rustc --explain E0369`.
error: could not compile `chapter10` (bin "chapter10") due to 1 previous error
帮助文本提到了 std::cmp::PartialOrd，它是一个*特征*，我们将在下一节讨论特征。现在，请注意，此错误指出 largest 的主体不适用于 T 可能的所有类型。因为我们想在主体中比较类型 T 的值，所以我们只能使用其值可以排序的类型。为了启用比较，标准库具有 std::cmp::PartialOrd 特征，您可以在类型上实现该特征（有关此特征的更多信息，请参见附录 C）。按照帮助文本的建议，我们将 T 的有效类型限制为仅实现 PartialOrd 的类型，并且此示例将编译，因为标准库在 i32 和 char 上都实现了 PartialOrd。
在结构体定义中
我们还可以使用 <> 语法定义结构体，以在一个或多个字段中使用泛型类型参数。清单 10-6 定义了一个 Point<T> 结构体，用于保存任何类型的 x 和 y 坐标值。
文件名：src/main.rs
struct Point<T> { x: T, y: T, } fn main() { let integer = Point { x: 5, y: 10 }; let float = Point { x: 1.0, y: 4.0 }; }
清单 10-6：一个 Point<T> 结构体，用于保存类型为 T 的 x 和 y 值
在结构体定义中使用泛型的语法与在函数定义中使用的语法相似。首先，我们在结构体名称后面的尖括号内声明类型参数的名称。然后，我们在结构体定义中使用泛型类型，否则我们将指定具体的数据类型。
请注意，因为我们仅使用了一个泛型类型来定义 Point<T>，所以此定义表示 Point<T> 结构体是对某种类型 T 的泛型，并且字段 x 和 y *都*是相同的类型，无论该类型是什么。如果我们创建一个 Point<T> 的实例，该实例具有不同类型的值，如清单 10-7 所示，则我们的代码将无法编译。
文件名：src/main.rs
struct Point<T> {
x: T,
y: T,
}
fn main() {
let wont_work = Point { x: 5, y: 4.0 };
}清单 10-7：字段 x 和 y 必须是相同的类型，因为两者都具有相同的泛型数据类型 T。
在此示例中，当我们将整数值 5 分配给 x 时，我们让编译器知道泛型类型 T 对于此 Point<T> 实例将是整数。然后，当我们为 y 指定 4.0 时，我们将其定义为与 x 具有相同的类型，我们将收到如下类型不匹配错误：
$ cargo run
Compiling chapter10 v0.1.0 (file:///projects/chapter10)
error[E0308]: mismatched types
--> src/main.rs:7:38
|
7 | let wont_work = Point { x: 5, y: 4.0 };
| ^^^ expected integer, found floating-point number
For more information about this error, try `rustc --explain E0308`.
error: could not compile `chapter10` (bin "chapter10") due to 1 previous error
要定义一个 Point 结构体，其中 x 和 y 都是泛型但可以具有不同的类型，我们可以使用多个泛型类型参数。例如，在清单 10-8 中，我们将 Point 的定义更改为对类型 T 和 U 进行泛型，其中 x 的类型为 T，而 y 的类型为 U。
文件名：src/main.rs
struct Point<T, U> { x: T, y: U, } fn main() { let both_integer = Point { x: 5, y: 10 }; let both_float = Point { x: 1.0, y: 4.0 }; let integer_and_float = Point { x: 5, y: 4.0 }; }
清单 10-8：对两种类型进行泛型的 Point<T, U>，以便 x 和 y 可以是不同类型的值
现在，所有显示的 Point 实例都是允许的！您可以在定义中根据需要使用任意数量的泛型类型参数，但是使用多个参数会使您的代码难以阅读。如果您发现代码中需要大量泛型类型，则可能表明您的代码需要重构为更小的部分。
在枚举定义中
如我们对结构体所做的那样，我们可以定义枚举以在其变体中保存泛型数据类型。让我们再看一下标准库提供的 Option<T> 枚举，我们在第 6 章中使用了它
#![allow(unused)] fn main() { enum Option<T> { Some(T), None, } }
现在，您应该可以更好地理解此定义了。如您所见，Option<T> 枚举是对类型 T 的泛型，并且具有两个变体：Some，它保存类型为 T 的一个值，以及 None 变体，它不保存任何值。通过使用 Option<T> 枚举，我们可以表达可选值的抽象概念，并且由于 Option<T> 是泛型，因此无论可选值的类型是什么，我们都可以使用此抽象。
枚举也可以使用多个泛型类型。我们在第 9 章中使用的 Result 枚举的定义就是一个例子
#![allow(unused)] fn main() { enum Result<T, E> { Ok(T), Err(E), } }
Result 枚举是对两种类型（T 和 E）的泛型，并且具有两个变体：Ok，它保存类型为 T 的值，以及 Err，它保存类型为 E 的值。此定义使在任何可能成功（返回某种类型 T 的值）或失败（返回某种类型 E 的错误）的操作中使用 Result 枚举变得很方便。实际上，这就是我们在清单 9-3 中用来打开文件的方法，其中在成功打开文件时，T 填充了类型 std::fs::File，而在打开文件时出现问题时，E 填充了类型 std::io::Error。
当您在代码中识别出多个结构体或枚举定义的情况，这些定义仅在它们保存的值的类型上有所不同时，可以通过使用泛型类型来避免重复。
在方法定义中
我们可以在结构体和枚举上实现方法（如我们在第 5 章中所做的那样），并在其定义中使用泛型类型。清单 10-9 显示了我们在清单 10-6 中定义的 Point<T> 结构体，并在其上实现了一个名为 x 的方法。
文件名：src/main.rs
struct Point<T> { x: T, y: T, } impl<T> Point<T> { fn x(&self) -> &T { &self.x } } fn main() { let p = Point { x: 5, y: 10 }; println!("p.x = {}", p.x()); }
清单 10-9：在 Point<T> 结构体上实现一个名为 x 的方法，该方法将返回对类型为 T 的 x 字段的引用
在这里，我们在 Point<T> 上定义了一个名为 x 的方法，该方法返回对字段 x 中数据的引用。
请注意，我们必须在 impl 之后立即声明 T，以便可以使用 T 指定我们正在对类型 Point<T> 实现方法。通过在 impl 之后将 T 声明为泛型类型，Rust 可以识别 Point 中的尖括号中的类型是泛型类型而不是具体类型。我们本可以选择为此泛型参数选择与结构体定义中声明的泛型参数不同的名称，但是使用相同的名称是一种惯例。在声明泛型类型的 impl 中编写的方法将在该类型的任何实例上定义，而无论最终用什么具体类型替换泛型类型。
在定义类型的方法时，我们还可以在泛型类型上指定约束。例如，我们可以仅在 Point<f32> 实例上实现方法，而不是在具有任何泛型类型的 Point<T> 实例上实现方法。在清单 10-10 中，我们使用具体类型 f32，这意味着我们在 impl 之后没有声明任何类型。
文件名：src/main.rs
struct Point<T> { x: T, y: T, } impl<T> Point<T> { fn x(&self) -> &T { &self.x } } impl Point<f32> { fn distance_from_origin(&self) -> f32 { (self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt() } } fn main() { let p = Point { x: 5, y: 10 }; println!("p.x = {}", p.x()); }
清单 10-10：一个 impl 块，仅适用于泛型类型参数 T 具有特定具体类型的结构体
此代码意味着类型 Point<f32> 将具有 distance_from_origin 方法；T 的类型不是 f32 的 Point<T> 的其他实例将没有定义此方法。该方法测量我们的点到坐标 (0.0, 0.0) 处的点的距离，并使用仅适用于浮点类型的数学运算。
结构体定义中的泛型参数与在同一结构体的方法签名中使用的泛型参数并不总是相同的。清单 10-11 在 Point 结构体中使用了泛型类型 X1 和 Y1，在 mixup 方法签名中使用了 X2 和 Y2，以使示例更清晰。该方法创建一个新的 Point 实例，其 x 值来自 self Point（类型为 X1），y 值来自传入的 Point（类型为 Y2）。
文件名：src/main.rs
struct Point<X1, Y1> { x: X1, y: Y1, } impl<X1, Y1> Point<X1, Y1> { fn mixup<X2, Y2>(self, other: Point<X2, Y2>) -> Point<X1, Y2> { Point { x: self.x, y: other.y, } } } fn main() { let p1 = Point { x: 5, y: 10.4 }; let p2 = Point { x: "Hello", y: 'c' }; let p3 = p1.mixup(p2); println!("p3.x = {}, p3.y = {}", p3.x, p3.y); }
清单 10-11：使用与其结构体定义不同的泛型类型的方法
在 main 函数中，我们定义了一个 Point，它的 x 是一个 i32 类型（值为 5），y 是一个 f64 类型（值为 10.4）。p2 变量是一个 Point 结构体，它的 x 是一个字符串切片（值为 "Hello"），y 是一个 char 类型（值为 c）。在 p1 上调用 mixup 并传入参数 p2 会得到 p3，它的 x 将是一个 i32 类型，因为 x 来自 p1。p3 变量的 y 将是一个 char 类型，因为 y 来自 p2。println! 宏调用将打印 p3.x = 5, p3.y = c。
此示例的目的是演示一种情况，其中一些泛型参数使用 impl 声明，而另一些则使用方法定义声明。这里，泛型参数 X1 和 Y1 在 impl 之后声明，因为它们与结构体定义一起使用。泛型参数 X2 和 Y2 在 fn mixup 之后声明，因为它们仅与该方法相关。
使用泛型的代码的性能
您可能想知道使用泛型类型参数是否会增加运行时成本。好消息是，使用泛型类型不会使您的程序比使用具体类型运行得更慢。
Rust 通过在编译时对使用泛型的代码执行单态化来实现这一点。_单态化_是通过填充编译时使用的具体类型将泛型代码转换为特定代码的过程。在此过程中，编译器执行的操作与我们在清单 10-5 中创建泛型函数时使用的步骤相反：编译器查看调用泛型代码的所有位置，并为泛型代码调用的具体类型生成代码。
让我们使用标准库的泛型 Option<T> 枚举来看看它是如何工作的
#![allow(unused)] fn main() { let integer = Some(5); let float = Some(5.0); }
当 Rust 编译此代码时，它会执行单态化。在此过程中，编译器会读取 Option<T> 实例中使用的值，并识别出两种 Option<T>：一种是 i32，另一种是 f64。因此，它将 Option<T> 的泛型定义扩展为专门针对 i32 和 f64 的两个定义，从而用特定的定义替换泛型定义。
单态化后的代码版本类似于以下内容（为便于说明，编译器使用的名称与我们在此处使用的名称不同）
文件名：src/main.rs
enum Option_i32 { Some(i32), None, } enum Option_f64 { Some(f64), None, } fn main() { let integer = Option_i32::Some(5); let float = Option_f64::Some(5.0); }
泛型 Option<T> 被编译器创建的特定定义所取代。因为 Rust 将泛型代码编译成指定每个实例中的类型的代码，所以我们不需要为使用泛型付出任何运行时成本。当代码运行时，它的执行方式就像我们手动复制每个定义一样。单态化过程使 Rust 的泛型在运行时非常高效。