面向对象语言的特性

在编程社区中，关于一门语言必须具备哪些特性才能被视为面向对象，并没有达成共识。Rust 受到了许多编程范式的影响，包括面向对象编程（OOP）；例如，我们在第13章探讨了来自函数式编程的特性。可以说，OOP 语言共享某些共同的特性，即对象、封装和继承。让我们来看看这些特性各自意味着什么，以及 Rust 是否支持它们。

对象包含数据和行为

Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 所著的《设计模式：可复用面向对象软件的元素》（Addison-Wesley，1994）一书，俗称《四人帮》书，是一本面向对象设计模式的目录。它以这种方式定义了 OOP：

面向对象程序由对象组成。对象封装了数据以及操作这些数据的程序。这些程序通常被称为方法或操作。

根据这个定义，Rust 是面向对象的：结构体和枚举包含数据，而 impl 块为结构体和枚举提供了方法。尽管带有方法的结构体和枚举不被称为对象，但根据四人帮对对象的定义，它们提供了相同的功能。

封装隐藏实现细节

另一个通常与 OOP 相关的概念是封装，这意味着使用对象的代码无法访问对象的实现细节。因此，与对象交互的唯一方式是通过其公共 API；使用对象的代码不应该能够直接访问对象的内部并更改数据或行为。这使得程序员可以在不需要更改使用对象的代码的情况下，更改和重构对象的内部实现。

我们在第7章讨论了如何控制封装：我们可以使用 pub 关键字来决定代码中的哪些模块、类型、函数和方法应该是公共的，而默认情况下其他所有内容都是私有的。例如，我们可以定义一个结构体 AveragedCollection，它有一个包含 i32 值向量的字段。该结构体还可以有一个包含向量中值的平均值的字段，这意味着不需要在每次需要时计算平均值。换句话说，AveragedCollection 会为我们缓存计算出的平均值。清单18-1展示了 AveragedCollection 结构体的定义：

pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}

该结构体被标记为 pub，以便其他代码可以使用它，但结构体中的字段仍然是私有的。在这种情况下，这一点很重要，因为我们希望确保每当向列表中添加或删除值时，平均值也会更新。我们通过在结构体上实现 add、remove 和 average 方法来实现这一点，如清单18-2所示：

pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}

impl AveragedCollection {
    pub fn add(&mut self, value: i32) {
        self.list.push(value);
        self.update_average();
    }

    pub fn remove(&mut self) -> Option<i32> {
        let result = self.list.pop();
        match result {
            Some(value) => {
                self.update_average();
                Some(value)
            }
            None => None,
        }
    }

    pub fn average(&self) -> f64 {
        self.average
    }

    fn update_average(&mut self) {
        let total: i32 = self.list.iter().sum();
        self.average = total as f64 / self.list.len() as f64;
    }
}

公共方法 add、remove 和 average 是访问或修改 AveragedCollection 实例中数据的唯一方式。当使用 add 方法向 list 添加项目或使用 remove 方法删除项目时，每个方法的实现都会调用私有的 update_average 方法，该方法负责更新 average 字段。

我们将 list 和 average 字段保持为私有，这样外部代码就无法直接向 list 字段添加或删除项目；否则，当 list 发生变化时，average 字段可能会变得不同步。average 方法返回 average 字段中的值，允许外部代码读取 average 但不能修改它。

由于我们已经封装了 AveragedCollection 结构体的实现细节，因此我们可以在未来轻松更改某些方面，例如数据结构。例如，我们可以使用 HashSet<i32> 而不是 Vec<i32> 作为 list 字段。只要 add、remove 和 average 公共方法的签名保持不变，使用 AveragedCollection 的代码就不需要更改。如果我们使 list 变为公共的，情况就不一定是这样了：HashSet<i32> 和 Vec<i32> 有不同的添加和删除项目的方法，因此如果外部代码直接修改 list，则可能需要更改。

如果封装是一门语言被视为面向对象的必要条件，那么 Rust 满足这一要求。代码中不同部分是否使用 pub 的选项使得实现细节的封装成为可能。

继承作为类型系统和代码共享

继承是一种机制，通过它，一个对象可以从另一个对象的定义中继承元素，从而获得父对象的数据和行为，而无需再次定义它们。

如果一门语言必须具备继承才能被视为面向对象，那么 Rust 不是这样的语言。在不使用宏的情况下，无法定义一个继承父结构体字段和方法实现的结构体。

然而，如果你习惯于在编程工具箱中使用继承，你可以根据最初选择继承的原因，在 Rust 中使用其他解决方案。

选择继承主要有两个原因。一个是为了代码的重用：你可以为一种类型实现特定的行为，而继承使你能够将该实现重用于不同的类型。在 Rust 代码中，你可以通过默认 trait 方法实现来有限地做到这一点，正如我们在清单10-14中看到的，当时我们在 Summary trait 上添加了 summarize 方法的默认实现。任何实现 Summary trait 的类型都会自动拥有 summarize 方法，而无需编写额外的代码。这类似于父类具有方法的实现，而继承的子类也具有该方法的实现。我们还可以在实现 Summary trait 时覆盖 summarize 方法的默认实现，这类似于子类覆盖从父类继承的方法的实现。

使用继承的另一个原因与类型系统有关：为了使子类型可以在与父类型相同的地方使用。这也被称为 多态性，这意味着如果多个对象共享某些特征，你可以在运行时将它们相互替换。

多态性

对许多人来说，多态性与继承是同义词。但它实际上是一个更广泛的概念，指的是可以处理多种类型数据的代码。对于继承来说，这些类型通常是子类。

Rust 使用泛型来抽象不同的可能类型，并使用 trait 约束来对这些类型必须提供的内容施加限制。这有时被称为 有界参数多态性。

作为一种编程设计解决方案，继承最近在许多编程语言中不再受欢迎，因为它经常面临共享过多代码的风险。子类不应该总是共享其父类的所有特征，但在继承中会这样做。这可能会使程序的设计变得不那么灵活。它还引入了在子类上调用没有意义或导致错误的方法的可能性，因为这些方法不适用于子类。此外，某些语言只允许单一继承（意味着子类只能继承一个类），进一步限制了程序设计的灵活性。

出于这些原因，Rust 采取了不同的方法，使用 trait 对象而不是继承。让我们看看 trait 对象如何在 Rust 中实现多态性。