深入理解 Rust 结构体：经典结构体、元组结构体和单元结构体的实现

Rust 是一门系统编程语言，以其所有权系统和安全性而著称。结构体是 Rust 中重要的数据结构，用于创建复杂的自定义数据类型。它们可以被分为三种主要形式：经典结构体、元组结构体 和 单元结构体。通过这些结构体的使用，我们能够在 Rust 中更灵活地表达数据。本篇文章将详细介绍如何在 Rust 中使用这三种结构体，并通过具体代码实例进行解释说明。

本文旨在通过经典结构体、元组结构体和单元结构体的实例，展示它们的基本用法及其在 Rust 编程中的重要性。我们将通过对 Rustlings 练习的代码进行优化和解释，深入理解结构体的使用场景。文章还会讨论如何通过 Rust 测试模块验证结构体的实例化过程，确保正确的结构体实现及其行为。

通过 Rustlings 实操

// structs1.rs
//
// Address all the TODOs to make the tests pass!
//
// Execute `rustlings hint structs1` or use the `hint` watch subcommand for a
// hint.

// I AM NOT DONE

struct ColorClassicStruct {
    // TODO: Something goes here
    red: u8,
    green: u8,
    blue: u8,
}

struct ColorTupleStruct(u8, u8, u8);

#[derive(Debug)]
struct UnitLikeStruct;

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn classic_c_structs() {
        // TODO: Instantiate a classic c struct!
        let green = ColorClassicStruct {
            red: 0,
            green: 255,
            blue: 0,
        };

        assert_eq!(green.red, 0);
        assert_eq!(green.green, 255);
        assert_eq!(green.blue, 0);
    }

    #[test]
    fn tuple_structs() {
        // TODO: Instantiate a tuple struct!
        let green = ColorTupleStruct(0, 255, 0);

        assert_eq!(green.0, 0);
        assert_eq!(green.1, 255);
        assert_eq!(green.2, 0);
    }

    #[test]
    fn unit_structs() {
        // TODO: Instantiate a unit-like struct!
        let unit_like_struct = UnitLikeStruct;
        let message = format!("{:?}s are fun!", unit_like_struct);

        assert_eq!(message, "UnitLikeStructs are fun!");
    }
}

这段代码主要展示了 Rust 中三种常见结构体的定义与使用，并通过测试模块验证它们的正确性。代码中存在一些 TODO，需要补全相关逻辑。

1. 经典结构体 (ColorClassicStruct)

struct ColorClassicStruct {
    red: u8,
    green: u8,
    blue: u8,
}

经典结构体定义了具有命名字段的结构体。每个字段有明确的类型和名称，在实例化时，可以通过字段名来初始化该结构体。它非常适合描述具有多个属性的数据对象，如颜色的 RGB 值。

在 classic_c_structs 测试中，我们通过定义 ColorClassicStruct 的 red, green, blue 字段，并初始化为 green 颜色（RGB 为 0, 255, 0）来测试它的行为：

let green = ColorClassicStruct {
    red: 0,
    green: 255,
    blue: 0,
};
assert_eq!(green.red, 0);
assert_eq!(green.green, 255);
assert_eq!(green.blue, 0);

2. 元组结构体 (ColorTupleStruct)

结构体必须要有名称，但是结构体的字段可以没有名称，这种结构体长得很像元组，因此被称为元组结构体。

struct ColorTupleStruct(u8, u8, u8);

元组结构体与经典结构体不同，它没有命名字段，而是使用位置参数。它更简洁，但是可读性较低，适用于不需要明确命名的简单数据类型组合。

在 tuple_structs 测试中，我们实例化了一个 RGB 颜色，表示绿色的值为 (0, 255, 0)：

let green = ColorTupleStruct(0, 255, 0);
assert_eq!(green.0, 0);
assert_eq!(green.1, 255);
assert_eq!(green.2, 0);

3. 单元结构体 (UnitLikeStruct)

如果你定义一个类型，但是不关心该类型的内容, 只关心它的行为时，就可以使用 单元结构体：

#[derive(Debug)]
struct UnitLikeStruct;

单元结构体类似于单元类型 ()，通常用于标识特定的行为或作为类型标签。它不包含任何数据，可以用于在类型系统中表达某些特定含义。在测试中，我们使用 derive(Debug) 派生 Debug trait，使它能够通过 {:?} 格式化输出。

在 unit_structs 测试中，单元结构体被实例化，并通过 format! 输出调试信息：

let unit_like_struct = UnitLikeStruct;
let message = format!("{:?}s are fun!", unit_like_struct);
assert_eq!(message, "UnitLikeStructs are fun!");

完善后的代码：

struct ColorClassicStruct {
    red: u8,
    green: u8,
    blue: u8,
}

struct ColorTupleStruct(u8, u8, u8);

#[derive(Debug)]
struct UnitLikeStruct;

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn classic_c_structs() {
        let green = ColorClassicStruct {
            red: 0,
            green: 255,
            blue: 0,
        };

        assert_eq!(green.red, 0);
        assert_eq!(green.green, 255);
        assert_eq!(green.blue, 0);
    }

    #[test]
    fn tuple_structs() {
        let green = ColorTupleStruct(0, 255, 0);

        assert_eq!(green.0, 0);
        assert_eq!(green.1, 255);
        assert_eq!(green.2, 0);
    }

    #[test]
    fn unit_structs() {
        let unit_like_struct = UnitLikeStruct;
        let message = format!("{:?}s are fun!", unit_like_struct);

        assert_eq!(message, "UnitLikeStructs are fun!");
    }
}

总结

通过本次练习，我们熟悉了 Rust 中三种结构体的使用场景及其优势。经典结构体适合具有多个命名字段的对象；元组结构体通过简洁的方式存储多个值；而单元结构体则没有任何字段，通常用于标识类型行为或特性。Rust 强大的类型系统和结构体形式为开发者提供了灵活的数据组织方式。通过这些实践，程序员能够更好地掌握结构体的使用，编写出简洁而高效的代码。

参考

• https://course.rs/basic/compound-type/struct.html
• https://rustwiki.org/zh-CN/book/ch05-01-defining-structs.html
• https://doc.rust-lang.org/stable/book/ch05-01-defining-structs.html