Rust语言 - 接口设计的建议之不意外(unsurprising)

Rust-接口设计建议之不意外(unsurprising)书:RustforRustaceansRust接口设计的原则(建议)四个原则:不意外(unsurprising)灵活(flexible)显而易见(obvious)受约束(constrained)RustAPI

Rust - 接口设计建议之不意外(unsurprising)

书:Rust for Rustaceans

Rust接口设计的原则(建议)

不意外(unsurprising)

  • 最少意外原则:
    • 接口应尽可能直观(可预测,用户能猜对)
    • 至少应该不让人感到惊奇
  • 核心思想:
    • 贴近用户已经知道的东西(不必重学概念)
  • 让接口可预测:
    • 命名
    • 实现常用的 Traits
    • 人体工程学(Ergonomic)Traits
    • 包装类型(Wrapper Type)

命名实践

  • 接口的名称,应符合惯例,便于推断其功能
    • 例:
    • 方法 iter,大概率应将 &self 作为参数,并应该返回一个迭代器(iterator)
    • 叫做 into_inner 的方法,大概率应将 self 作为参数,并返回某个包装的类型
    • 叫做 SomethingError 的类型,应实现 std::error::Error,并出现在各类 Result 里
  • 将通用/常用的名称依然用于相同的目的,让用户好猜、好理解
  • 推论:同名的事物应该以相同的方式工作
    • 否则,用户大概率会写出错误的代码
  • 遵循 as_, to_, into_ 规范 用以特定类型转换
名称前缀 内存代价 所有权
as_ 无代价 borrowed -> borrowed
to_ 代价昂贵 borrowed -> borrowed borrowed -> owned (非 Copy 类型) owned -> owned (Copy 类型)
into_ 视情况而定 owned -> owned (非 Copy 类型)

实现常用的 Trait

  • 用户通常会假设接口中的一切均可“正常工作”,例:
    • 使用 {:?} 打印任何类型
    • 可发送任何东西到另外的线程
    • 期望每个类型都是 Clone 的
  • 建议积极实现大部分标准 Trait,即使不立即用到
  • 用户无法为外部类型实现外部的 Trait
    • 即使能包装你的接口类型,也难以写出合理实现

Rust 的 trait 系统坚持 孤儿原则 :大致说的是, 每个 impl 块必须

  1. 要么存在于定义 trait 的 crate 中,
  2. 要么存在于给类型实现 trait 的 crate 中。

所以,定义新类型的 crates 应该尽早实现所有合适的、常见的 traits 。

std 中可给类型实现的、最重要的、常见的 traits 有:

给类型实现 Default trait 和空的 new 构造函数是常见和有必要的。 new 是 Rust 中常规的构造函数,所以不使用参数来构造基本的类型时, new 对使用者来说就理应存在。 default 方法功能上与 new 方法一致,所以也应当存在。

建议实现 Debug Trait

  • 几乎所有的类型都能、应该实现 Debug
    • #[derive(Debug)],通常是最佳实现方式
    • 注意:派生的 Trait 会为任意泛型参数添加相同的约束(bound)
    • 利用 fmt::Formatter 提供的各种 debug_xxx 辅助方法手动实现
    • debug_struct
    • debug_tuple
    • debug_list
    • debug_set
    • debug_map

例子一

use std::fmt::Debug;

#[derive(Debug)]
struct Pair<T> {
  a: T,
  b: T,
}

fn main() {
  let pair = Pair {a: 5, b: 10};
  println!("Pair: {:?}", pair); // i32 实现了 Debug Trait 故可以打印出来
}

例子二

use std::fmt::Debug;

struct Person {
  name: String,
}

#[derive(Debug)]
struct Pair<T> {
  a: T,
  b: T,
}

fn main() {
  let pair = Pair {
    a: Person { name: "Dave".to_string() },
    b: Person { name: "Nick".to_string() },
  };
  println!("Pair: {:?}", pair);  // 报错 `Person` doesn't implement `Debug` Person 没有实现 Debug Trait
}

例子三

use std::fmt;

struct Pair<T> {
  a: T,
  b: T,
}

impl<T: fmt::Debug> fmt::Debug for Pair<T> {
  fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
    f.debug_struct("Pair").field("a", &self.a).field("b", &self.b).finish()
  }
}

fn main() {
  let pair = Pair { a: 5, b: 10 };
  println!("Pair: {:?}", pair);
}

建议实现 Send 和 Sync(unpin)

  • 不是 Send 的类型无法放在 Mutex 中,也不能在包含线程池的应用程序中传递使用

例子四

#[derive(Debug)]
struct MyBox(*mut u8);

unsafe impl Send for MyBox {}

use std::rc::Rc;

fn main() {
  let mb = MyBox(Box::into_raw(Box::new(42)));

  let x = Rc::new(42);

  std::thread::spawn(move || {
    println!("{:?}", x); // error: `Rc<i32>` cannot be sent between threads safely
  });

  //std::thread::spawn(move || {
  //  println!("{:?}", mb); // mb 实现了 Send Trait 
  //});
}
  • 不是 Sync 的类型无法通过 Arc 共享,也无法被放置在静态变量中

例子五

use std::cell::RefCell;
use std::sync::Arc;

fn main() {
  let x = Arc::new(RefCell::new(42));
  std::thread::spawn(move || {
    let mut x = x.borrow_mut(); // error: `RefCell<i32>` cannot be shared between threads safely
    *x += 1;
  });
}
  • 如果没实现上述 Trait,建议在文档中说明

建议实现 Clone 和 Default

例子六

#[derive(Debug, Clone)]
struct Person {
  name: String,
  age: u32,
}

impl Person {
  fn new(name: String, age: u32) -> Person {
    Person { name, age }
  }
}

fn main() {
  let person1 = Person::new("Alice".to_owned(), 25);
  let person2 = person1.clone();

  println!("Person 1: {:?}", person1);
  println!("Person 2: {:?}", person2);
}

例子七

#[derive(Default)]
struct Point {
  x: i32,
  y: i32,
}

fn main() {
  let point = Point::default(); // 提供默认的初始值

  println!("Point: ({}, {})", point.x, point.y); // Point: (0, 0)
}
  • 如果没实现上述 Trait,建议在文档中说明

建议实现 PartialEq、PartialOrd、Hash、Eq、Ord

  • PartialEq 特别有用
    • 用户会希望使用 == 或 assert_eq! 比较你类型的两个实例

例子八

#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point {
  x: i32,
  y: i32,
}

fn main() {
  let point1 = Point { x: 1, y: 2 };
  let point2 = Point { x: 1, y: 2 };
  let point3 = Point { x: 3, y: 4 };

  println!("point1 == point2: {}", point1 == point2);
  println!("point1 == point3: {}", point1 == point3);
}
  • PartialOrd 和 Hash 相对更专门化
    • 将类型作为 Map 中的 Key
    • 须实现 PartialOrd,以便进行 Key 的比较
    • 使用 std::collection 的集合类型进行去重的类型
    • 须实现 Hash,以便进行哈希计算

例子九

use std::collections::BTreeMap;

#[derive(Debug, PartialEq, PartialOrd, Eq, Ord, Clone)]
struct Person {
  name: String,
  age: u32,
}

fn main() {
  let mut ages = BTreeMap::new();

  let person1 = Person {
    name: "Alice".to_owned(),
    age: 25,
  };
  let person2 = Person {
    name: "Bob".to_owned(),
    age: 30,
  };
  let person3 = Person {
    name: "Charlie".to_owned(),
    age: 20,
  };

  ages.insert(person1.clone(), "Alice's age");
  ages.insert(person2.clone(), "Bob's age");
  ages.insert(person3.clone(), "Charlie's age");

  for (person, description) in &ages {
    println!("{}: {} - {:?}", person.name, person.age, description);
  }
}

例子十

use std::collections::HashSet;
use std::hash::{Hash, Hasher};

#[derive(Debug, PartialEq, Eq, Clone)]
struct Person {
  name: String,
  age: u32,
}

impl Hash for Person {
  fn hash<H: Hasher>(&self, state: &mut H) {
    self.name.hash(state);
    self.age.hash(state);
  }
}

fn main() {
  let mut persons = HashSet::new();

  let person1 = Person {
    name: "Alice".to_owned(),
    age: 25,
  };
  let person2 = Person {
    name: "Bob".to_owned(),
    age: 30,
  };
  let person3 = Person {
    name: "Charlie".to_owned(),
    age: 20,
  };

  persons.insert(person1.clone());
  persons.insert(person2.clone());
  persons.insert(person3.clone());

  println!("Persons: {:?}", persons);
}
  • Eq 和 Ord 有额外的语义要求(相对 PartialEq 和 PartialOrd)
    • 只应在确信这些语义适用于你的类型时才实现它们

例子十一

// Eq
// 反身性(Reflexivity):对于任何对象 x,x == x 必须为真。
// 对称性(Symmetry):对于任何对象 x 和 y,如果 x == y 为真,则 y == x 也必须为真。
// 传递性(Transitivity):对于任何对象 x、y 和 z,如果 x == y 为真,并且 y == z 为真,则 x == z 也必须为真。

// Ord
// 自反性(Reflexivity):对于任何对象 x,x <= x 和 x >= x 必须为真。
// 反对称性(Antisymmetry):对于任何对象 x 和 y,如果 x <= y 和 y <= x 都为真,则 x == y 必须为真。
// 传递性(Transitivity):对于任何对象 x、y 和 z,如果 x <= y 和 y <= z 都为真,则 x <= z 必须为真。

fn main() {

}

建议实现 serde 下的 Serialize、Deserialize

  • serde_derive(crate)提供了机制,可以覆盖单个字段或枚举变体的序列化
    • 由于 serde 是第三方库,你可能不希望强制添加对它的依赖
    • 大多数库选择提供一个 serde 的功能(feature),只有当用户选择启用该功能时才添加对 serde 的支持

例子十二:你写的库

[dependencies]
serde = { version = "1.0", optional = true}

[features]
serde = ["serde"]

例子十三:别人用的时候

[dependencies]
mylib = { version = "0.1", features = ["serde"] }

为什么没建议实现 Copy

  • 用户通常不期望类型是 Copy 的
    • 如果想要两个副本,通常希望调用 clone
  • Copy 改变了移动给定类型值的语义
    • 让用户 surprise
  • Copy 类型受到很多限制,一个最初简单的类型很容易变得不再满足 Copy 的要求
    • 例如持有了 String 或者其他非 Copy 的类型 ---> 不得不移除 Copy

例子十四

#[derive(Debug, Copy, Clone)]
struct Point {
  x: i32,
  y: i32,
}

fn main() {
  let point1 = Point { x: 10, y: 20 };
  let point2 = point1; // 这里发生复制,而不是移动

  println!("point1: {:?}", point1);
  println!("point2: {:?}", point2);
}

人体工程学 Trait 实现

  • Rust 不会自动为实现 Trait 的类型的引用提供对应的实现
    • Bar 实现了 Trait,也不能将 &Bar 传递给 fn foo<T: Trait>(t: T)
    • 因为 Trait 可能包含接受 &mut self 或 self 的方法,而这些方法无法在 &Bar 上调用
    • 对于看到 Trait 只有 &self 方法的用户来说,这会非常令人惊讶
  • 定义新的 Trait 时,通常需要为下列提供相应的全局实现
    • &T where T: Trait
    • &mut T where T: Trait
    • Box<T> where T: Trait
  • Iterator(迭代器):为类型的引用添加 Trait 实现
    • 对于任何可迭代的类型,考虑为 &MyType 和 &mut MyType 实现 IntoIterator
    • 在循环中可直接使用借用实例,符号用户预期。

包装类型(Wrapper Types)

  • Rust 没有传统意义上的继承
  • Deref 和 AsRef 提供了类似继承的东西
    • 你有一个类型为 T 的值,并满足 T: Deref<Target = U>,可以在 T 类型值上直接调用类型 U 的方法

例子十五

use std::ops::Deref;

struct MyVec(Vec<i32>);

impl Deref for MyVec {
  type Target = Vec<i32>;

  fn deref(&self) -> &Self::Target {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let my_vec = MyVec(vec![1, 2, 3, 4, 5]);

  println!("Length: {}", my_vec.len());
  println!("First element: {}", my_vec[0]);
}
  • 如果你提供了相对透明的类型(例 Arc)
    • 实现 Deref 允许你的包装类型在使用点运算符时,自动解引用为内部类型,从而可以直接调用内部类型的方法
    • 如果访问内部类型不需要任何复杂或潜在的低效逻辑,应考虑实现 AsRef,这样用户可以轻松地将 &WrapperType 作为 &InnerType 使用
    • 对于大多数包装类型,还应该在可能的情况下实现 From<InnerType>Into<InnerType>,以便用户可轻松地添加或移除包装。

例子十六

use std::ops::Deref;

struct Wrapper(String);

impl Deref for Wrapper {
  type Target = String;

  fn deref(&self) -> *Self::Target {
    &self.0
  }
}

impl AsRef<str> for Wrapper {
  fn as_ref(&self) -> &str {
    &self.0
  }
}

impl From<String> for Wrapper {
  fn from(s: String) -> Self {
    Wrapper(s)
  }
}

impl From<Wrapper> for String {
  fn from(wrapper: Wrapper) -> Self {
    wrapper.0
  }
}

fn main() {
  let wrapper = Wrapper::from("Hello".to_string());

  // 使用 . 运算符调用内部字符串类型的方法
  println!("Length: {}", wrapper.len());

  // 使用 as_ref 方法将 Wrapper 转换为 &str 类型
  let inner_ref: &str = wrapper.as_ref();
  println!("Inner: {}", inner_ref);

  // 将 Wrapper 转换为内部类型 String
  let inner_string: String = wrapper.into();
  println!("Inner String: {}", inner_string);
}
  • Borrow Trait (与 Deref 和 AsRef 有些类似)
    • 针对更为狭窄的使用情况进行了定制:
    • 允许调用者提供同一类型的多个本质上相同的变体中的任意一个
      • 可叫做:Equivalent
      • 例:对于一个 HashSet<String>,Borrow 允许调用者提供 &str&String
      • 虽然使用 AsRef 也可以实现类似的效果,但如果没有 Borrow 的额外要求,这种实现时不安全的,因为 Borrow 要求目标类型实现的 Hash、Eq、和 Ord 必须与实现类型完全相同
    • Borrow 还为 Borrow<T>&T&mut T 提供了通用实现
      • 这使得在 Trait 约束中使用它来接受给定类型的拥有值或引用值非常方便。
    • Borrow 仅适用于当你的类型本质上与另一个类型等价时
    • 而 Deref 和 AsRef 则适用于更广泛地实现你的类型可以“充当”的情况

例子十七

use std::borrow::Borrow;

fn print_length<S>(string: S)
where
 S: Borrow<str>,
{
  println!("Length: {}", string.borrow().len());
}

fn main() {
  let str1: &str = "Hello";
  let string1: String = String::from("World");

  print_length(str1);
  print_length(string1);
}
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寻月隐君
寻月隐君
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不要放弃,如果你喜欢这件事,就不要放弃。如果你不喜欢,那这也不好,因为一个人不应该做自己不喜欢的事。