Rust学习笔记（四）｜结构体与枚举（面向对象、模式匹配）

发布于：2025-08-17 ⋅ 阅读:(21) ⋅ 点赞:(0)

本篇文章包含的内容

1 结构体

1.1 定义和初始化结构体

定义结构体必须显式指定结构体成员变量的类型。实例化结构体时需要对结构体的每个成员变量赋值，使用下面的写法定义和初始化结构体：

fn main() {
    let user1 = User {
        email: String::from("example@example.com"),
        username: String::from("Nikky"),
        active: true,
        sign_in_count: 556,
    };
}

struct User {
    username: String,
    email: String,
    sign_in_count: u64,
    active: bool,
}

获取或者修改结构体实例中某个字段的值的方式和其他语言类似，使用点标记法即可，例如user1.email。上面例子中的user1默认也是不可变的，如果要修改某个字段，需要将这个结构体声明为可变的，即let mut user1 = User {...}。需要注意，如果结构体实例是可变的，那么其中的每个字段都是可变的，Rust不允许存在一部分字段不变，另一部分字段可变的结构体。

理所当然的，结构体也可以是函数的返回值：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
	User {
        email: email
        username: username
        active: true,
        sign_in_count: 556,
    }
}

上面的例子中，初始化变量名和字段的变量名相同，那么初始化时可以用下面的方法简写（又是一个语法糖）：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {
	User {
        email,
        username,
        active: true,
        sign_in_count: 556,
    }
}

当你想通过基于某个结构体实例来初始化另一个结构体实例时，可以使用struct更新语法：

	let user1 = User {
        email: String::from("example@example.com"),
        username: String::from("Nikky"),
        active: true,
        sign_in_count: 556,
    };
    
    let user2 = User {
        email: String::from("another_example@example.com"),
        username: String::from("Tom"),
        ..user1
    };

上面的例子中定义email和username的类型为String而不是&str，使得该struct实例拥有其所有的数据（所有权），并且只要结构体实例是有效的，那么其中的数据也一定有效。struct中也可以存放引用，但是必须使用生命周期。生命周期保证只要struct实例是有效的，那么其中的引用也一定有效。生命周期的概念之后才会涉及。

自定义的struct往往没有Display方法，所以无法被println!()直接输出，如果要使用println!()输出，可以采用下面的写法：

#[derive(Debug)]	//
struct Rectangle {
    width: u32,
    length: u32,
}

fn main() {
    let rect = Rectangle {
        width: 30,
        length: 50,
    };

    println!("{}", area(&rect));
    println!("{:?}", rect);     // 多行打印使用{:#?}
}

fn area(rect: &Rectangle) -> u32 {
    rect.width * rect.length
}

需要注意，打印结构体时必须使用#[derive(Debug)]注解，使得Rectangle派生于Debug这个trait。

1.2 Tuple Struct

Rust中允许我们定一个类似tuple的struct，它就是Tuple Struct，它有一个整体的结构体名，但是其中的元素可以没有名字。适用于想给整个tuple起名，让其不同于其他的Tuple，但是又不需要给其中的每个元素起名的情况。

fn main() {
    struct Color(i32, i32, i32);
    struct Point(i32, i32, i32);
    
    let black = Color(0, 0, 0);
    let origin = Point(0, 0, 0);     // black和origin数据类似，但是是不同的类型
}

1.3 结构体方法（Rust 面向对象）

在C/C++中，class说白了就是拥有很多方法的struct，那么Rust中是否可以为结构体添加方法呢？当然可以。看下面这个例子：

struct Rectangle {
    width: u32,
    length: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {		// 借用self，不需要其所有权
        self.width * self.length
    }
}

fn main() {
    let rect = Rectangle {
        width: 30,
        length: 50,
    };

    println!("{}", rect.area());
}

Rust的方法是在struct（或者enum、trait对象）的上下文中使用impl关键字（implementation）定义的。方法的第一个参数总是self。

Rust会自动引用或者自动解引用，在调用方法时，rect.area()就相当于(&rect).area()，Rust会自动在变量前添加&、&mut或者*。以便于实例匹配方法的签名。

一个impl里可以定义多个方法，也可以在多个impl块中定义，方法除了自身以外也可以有其他参数：

struct Rectangle {
    width: u32,
    length: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.length
    }

    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width > other.width && self.length >= other.length
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle {
        width: 30,
        length: 50,
    };
    let rect2 = Rectangle {
        width: 10,
        length: 20,
    };

    println!("{}", rect1.area());
    println!("{}", rect1.can_hold(&rect2));
}

1.4 关联函数

在impl块中也可以定义函数，这个函数不是对象的方法，但是它又与struct有一定的关联，我们把这种函数称为关联函数。通常使用关联函数作为对象的构造器，例如常用的String::from("")函数构造一个String。

#[derive(Debug)]
struct Rectangle {
    width: u32,
    length: u32,
}

impl Rectangle {
    fn area(&self) -> u32 {
        self.width * self.length
    }

    fn can_hold(&self, other: &Rectangle) -> bool {
        self.width >= other.width && self.length >= other.length
    }

    fn square(size: u32) -> Rectangle {
        Rectangle {
            width: size,
            length: size,
        }
    }
}

fn main() {
    let rect1 = Rectangle {
        width: 30,
        length: 50,
    };
    let rect2 = Rectangle {
        width: 10,
        length: 20,
    };

    let s = Rectangle::square(20);

    println!("{}", rect1.area());
    println!("{}", rect1.can_hold(&rect2));
    println!("{:?}", s);
}

2 枚举

2.1 定义和使用枚举

枚举（Enum）允许我们使用确定的可能值定义一个类型。枚举的可能的值称为变体。枚举的最基础作用其实就是提高代码的可读性，这和C/C++的枚举没有本质的区别。

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four_ip = IpAddrKind::V4;
    let six_ip = IpAddrKind::V6;
    
    route(four_ip);
    route(six_ip);
    route(IpAddrKind::V4);
}

fn route(ip_kind:IpAddrKind) {
    // some code...
}

自然地，枚举可以是结构体的成员变量：

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

struct IpAddr {
    ip_addr_kind: IpAddrKind,
    ip_addr: String,
}

fn main() {
    let home = IpAddr {
        ip_addr: String::from("127.0.0.1"),
        ip_addr_kind: IpAddrKind::V4,
    };

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

2.2 将数据附加到枚举的变体中

枚举的变体中可以添加一些附加数据，这样可以让我们不用定义额外的结构体存储其他的信息：

enum IpAddrKind {
    V4(u8, u8, u8, u8),
    V6(String),
}

fn main() {
    let home = IpAddrKind::V4(192, 168, 0, 1);
    let loopback = IpAddrKind::V6(String::from("::1"));
}

标准库的IpAddr就使用了类似的设计，不过标准库中枚举IpAddr中嵌入的是结构体struct。说明我么可以在枚举中嵌入任意的数据类型，甚至嵌入另外的枚举。枚举也可以定义方法，枚举方法的第一个参数也是self，调用依然采用.进行调用。看下面这个例子：

enum Message {
    Quit,
    Move {x: i32, y: i32},      // 关联一个匿名结构体
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

impl Message {
    fn call(&self) {
        // some code ...
    }
}

fn main() {
    let q = Message::Quit;
    let m = Message::Move {x: 1, y: 2};
    let w = Message::Write(String::from("hello"));
    let c = Message::ChangeColor(0, 128, 0);
    
    q.call();
}

2.3 Option 枚举

Option枚举位于标准库中，它是预导入（Prelude）的。它主要是为了解决其他语言中一个值可能存在，并且可能是空值null的情况。Rust为了解决null的弊端，直接摒弃了null，取而代之的是Option枚举，使得开发者要想使用null，则必须同时处理值存在和不存在两种情况。

Option在标准库中的定义如下所示，T是泛型参数。Option枚举是预导入的，它的两个变体也是预导入的，所以程序中可以直接使用。

// 标准库中的定义
enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

let some_number = Some(1);
let some_string = Some("hello");

let absent_number: Option<i32> = None;

2.4 模式匹配

2.4.1 match语句

match是Rust中的一个强大的控制流运算符，它允许一个值与一系列模式进行依次匹配，这个“模式”可以是子面值，变量名或者是通配符，匹配成功后执行对应的代码块。

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter,
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter => 25,
    }
}

fn main() {}

匹配到的模式可以关联被匹配对象的部分值，利用这个特性（语法糖?），我么可以方便地提取枚举中的值：

#[derive(Debug)]
enum UsState {
    Alabama,
    Alaska,
}

enum Coin {
    Penny,
    Nickel,
    Dime,
    Quarter(UsState),       // 关联枚举数据
}

fn value_in_cents(coin: Coin) -> u8 {
    match coin {
        Coin::Penny => 1,
        Coin::Nickel => 5,
        Coin::Dime => 10,
        Coin::Quarter(state) => {
            println!("Quarter from: {:?}", state);
            25
        },
    }
}

fn main() {
    value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alabama));
    value_in_cents(Coin::Quarter(UsState::Alaska));
}

在这里插入图片描述

Option枚举可以和match语句结合处理当数据为空的情况：

fn plus_one(number: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match number {
        None => None,
        Some(i) => Some(i + 1)	// 返回也必须是Option<i32>
    }
}

fn main() {
    let five = Some(5);
    let six = plus_one(five);

    let none = plus_one(None);
}

需要注意，match必须穷举所有的可能。如果没有穷举所有的可能编译器就会报错，但是有时候确实只需要处理其中一部分数据，我么需要一个default，Rust使用下划线通配符表示未提及的情况：

fn main() {
    let v = 1u8;

    match v {
        1 => println!("one!"),
        3 => println!("three!"),
        _ => {},    // 或者 _ => () 
    }
}

2.4.2 if let语句

if let语句相当于match语句只需要处理一种情况时的语法糖，后面可以加else，写法如下：

fn main() {
    let v = Some(3);

    if let Some(i) = v {      // 注意这里是 =，并且被匹配变量必须写在后面
        println!("the number is {}", i);
    } else {
        println!("others");
    }
}

虽然看起来直接写if更简单，但是if let本质是模式匹配，除了控制流，它还有另一个重要的功能：提取枚举携带的值。所以它和普通的控制流语句if还是不同的。

在这里插入图片描述

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