rust学习系列（五）：枚举和数组

枚举

枚举(enum 或 enumeration)允许你通过列举可能的成员来定义一个枚举类型，例如扑克牌花色：

enum PokerSuit {
Clubs,
Spades,
Diamonds,
Hearts,
}
如果在此之前你没有在其它语言中使用过枚举，那么可能需要花费一些时间来理解这些概念，一旦上手，就会发现枚举的强大，甚至对它爱不释手，枚举虽好，可不要滥用哦。

再回到之前创建的 PokerSuit，扑克总共有四种花色，而这里我们枚举出所有的可能值，这也正是 枚举 名称的由来。

任何一张扑克，它的花色肯定会落在四种花色中，而且也只会落在其中一个花色上，这种特性非常适合枚举的使用，因为枚举值只可能是其中某一个成员。抽象来看，四种花色尽管是不同的花色，但是它们都是扑克花色这个概念，因此当某个函数处理扑克花色时，可以把它们当作相同的类型进行传参。

细心的读者应该注意到，我们对之前的 枚举类型 和 枚举值 进行了重点标注，这是因为对于新人来说容易混淆相应的概念，总而言之： 枚举类型是一个类型，它会包含所有可能的枚举成员, 而枚举值是该类型中的具体某个成员的实例。

枚举值

现在来创建 PokerSuit 枚举类型的两个成员实例：

let heart = PokerSuit::Hearts;
let diamond = PokerSuit::Diamonds;

我们通过 :: 操作符来访问 PokerSuit 下的具体成员，从代码可以清晰看出，heart 和 diamond 都是 PokerSuit 枚举类型的，接着可以定义一个函数来使用它们：

fn main() {
    let heart = PokerSuit::Hearts;
    let diamond = PokerSuit::Diamonds;

    print_suit(heart);
    print_suit(diamond);
}

fn print_suit(card: PokerSuit) {
    // 需要在定义 enum PokerSuit 的上面添加上 #[derive(Debug)]，否则会报 card 没有实现 Debug
    println!("{:?}",card);
}

print_suit 函数的参数类型是 PokerSuit，因此我们可以把 heart 和 diamond 传给它，虽然 heart 是基于 PokerSuit 下的 Hearts 成员实例化的，但是它是货真价实的 PokerSuit 枚举类型。

接下来，我们想让扑克牌变得更加实用，那么需要给每张牌赋予一个值：A(1)-K(13)，这样再加上花色，就是一张真实的扑克牌了，例如红心 A。

目前来说，枚举值还不能带有值，因此先用结构体来实现：

enum PokerSuit {
    Clubs,
    Spades,
    Diamonds,
    Hearts,
}

struct PokerCard {
    suit: PokerSuit,
    value: u8
}

fn main() {
   let c1 = PokerCard {
       suit: PokerSuit::Clubs,
       value: 1,
   };
   let c2 = PokerCard {
       suit: PokerSuit::Diamonds,
       value: 12,
   };
}

这段代码很好的完成了它的使命，通过结构体 PokerCard 来代表一张牌，结构体的 suit 字段表示牌的花色，类型是 PokerSuit 枚举类型，value 字段代表扑克牌的数值。

可以吗？可以！好吗？说实话，不咋地，因为还有简洁得多的方式来实现：

enum PokerCard {
    Clubs(u8),
    Spades(u8),
    Diamonds(u8),
    Hearts(u8),
}

fn main() {
   let c1 = PokerCard::Spades(5);
   let c2 = PokerCard::Diamonds(13);
}

直接将数据信息关联到枚举成员上，省去近一半的代码，这种实现是不是更优雅？

不仅如此，同一个枚举类型下的不同成员还能持有不同的数据类型，例如让某些花色打印 1-13 的字样，另外的花色打印上 A-K 的字样：

enum PokerCard {
    Clubs(u8),
    Spades(u8),
    Diamonds(char),
    Hearts(char),
}

fn main() {
   let c1 = PokerCard::Spades(5);
   let c2 = PokerCard::Diamonds('A');
}

回想一下，遇到这种不同类型的情况，再用我们之前的结构体实现方式，可行吗？也许可行，但是会复杂很多。

再来看一个来自标准库中的例子：

struct Ipv4Addr {
    // --snip--
}

struct Ipv6Addr {
    // --snip--
}

enum IpAddr {
    V4(Ipv4Addr),
    V6(Ipv6Addr),
}

这个例子跟我们之前的扑克牌很像，只不过枚举成员包含的类型更复杂了，变成了结构体：分别通过 Ipv4Addr 和 Ipv6Addr 来定义两种不同的 IP 数据。

从这些例子可以看出，任何类型的数据都可以放入枚举成员中: 例如字符串、数值、结构体甚至另一个枚举。

增加一些挑战？先看以下代码：

enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y: i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

fn main() {
    let m1 = Message::Quit;
    let m2 = Message::Move{x:1,y:1};
    let m3 = Message::ChangeColor(255,255,0);
}

该枚举类型代表一条消息，它包含四个不同的成员：

• Quit 没有任何关联数据
• Move 包含一个匿名结构体
• Write 包含一个 String 字符串
• ChangeColor 包含三个 i32

当然，我们也可以用结构体的方式来定义这些消息：

struct QuitMessage; // 单元结构体
struct MoveMessage {
    x: i32,
    y: i32,
}
struct WriteMessage(String); // 元组结构体
struct ChangeColorMessage(i32, i32, i32); // 元组结构体

由于每个结构体都有自己的类型，因此我们无法在需要同一类型的地方进行使用，例如某个函数它的功能是接受消息并进行发送，那么用枚举的方式，就可以接收不同的消息，但是用结构体，该函数无法接受 4 个不同的结构体作为参数。

而且从代码规范角度来看，枚举的实现更简洁，代码内聚性更强，不像结构体的实现，分散在各个地方。

同一化类型

最后，再用一个实际项目中的简化片段，来结束枚举类型的语法学习。

例如我们有一个 WEB 服务，需要接受用户的长连接，假设连接有两种：TcpStream 和 TlsStream，但是我们希望对这两个连接的处理流程相同，也就是用同一个函数来处理这两个连接，代码如下：

fn new (stream: TcpStream) {
  let mut s = stream;
  if tls {
    s = negotiate_tls(stream)
  }

  // websocket是一个WebSocket<TcpStream>或者
  //   WebSocket<native_tls::TlsStream<TcpStream>>类型
  websocket = WebSocket::from_raw_socket(
    stream, ......)
}

此时，枚举类型就能帮上大忙：

enum Websocket {
  Tcp(Websocket<TcpStream>),
  Tls(Websocket<native_tls::TlsStream<TcpStream>>),
}

Option 枚举用于处理空值

在其它编程语言中，往往都有一个 null 关键字，该关键字用于表明一个变量当前的值为空（不是零值，例如整型的零值是 0），也就是不存在值。当你对这些 null 进行操作时，例如调用一个方法，就会直接抛出null 异常，导致程序的崩溃，因此我们在编程时需要格外的小心去处理这些 null 空值。

尽管如此，空值的表达依然非常有意义，因为空值表示当前时刻变量的值是缺失的。有鉴于此，Rust 吸取了众多教训，决定抛弃 null，而改为使用 Option 枚举变量来表述这种结果。

Option 枚举包含两个成员，一个成员表示含有值：Some(T), 另一个表示没有值：None，定义如下：

enum Option<T> {
    Some(T),
    None,
}

其中 T 是泛型参数，Some(T)表示该枚举成员的数据类型是 T，换句话说，Some 可以包含任何类型的数据。

Option 枚举是如此有用以至于它被包含在了 prelude（prelude 属于 Rust 标准库，Rust 会将最常用的类型、函数等提前引入其中，省得我们再手动引入）之中，你不需要将其显式引入作用域。另外，它的成员 Some 和 None 也是如此，无需使用 Option:: 前缀就可直接使用 Some 和 None。总之，不能因为 Some(T) 和 None 中没有 Option:: 的身影，就否认它们是 Option 下的卧龙凤雏。

再来看以下代码：

let some_number = Some(5);
let some_string = Some("a string");

let absent_number: Option<i32> = None;

如果使用 None 而不是 Some，需要告诉 Rust Option 是什么类型的，因为编译器只通过 None 值无法推断出 Some 成员保存的值的类型。

当有一个 Some 值时，我们就知道存在一个值，而这个值保存在 Some 中。当有个 None 值时，在某种意义上，它跟空值具有相同的意义：并没有一个有效的值。那么，Option 为什么就比空值要好呢？

简而言之，因为 Option 和 T（这里 T 可以是任何类型）是不同的类型，例如，这段代码不能编译，因为它尝试
将 Option(Option) 与 i8(T) 相加：

let x: i8 = 5;
let y: Option<i8> = Some(5);

let sum = x + y;

如果运行这些代码，将得到类似这样的错误信息：

error[E0277]: the trait bound `i8: std::ops::Add<std::option::Option<i8>>` is
not satisfied
 -->
  |
5 |     let sum = x + y;
  |                 ^ no implementation for `i8 + std::option::Option<i8>`
  |

很好！事实上，错误信息意味着 Rust 不知道该如何将 Option 与 i8 相加，因为它们的类型不同。当在 Rust 中拥有一个像 i8 这样类型的值时，编译器确保它总是有一个有效的值，我们可以放心使用而无需做空值检查。只有当使用 Option（或者任何用到的类型）的时候才需要担心可能没有值，而编译器会确保我们在使用值之前处理了为空的情况。

换句话说，在对 Option 进行 T 的运算之前必须将其转换为 T。通常这能帮助我们捕获到空值最常见的问题之一：期望某值不为空但实际上为空的情况。

不再担心会错误的使用一个空值，会让你对代码更加有信心。为了拥有一个可能为空的值，你必须要显式的将其放入对应类型的 Option 中。接着，当使用这个值时，必须明确的处理值为空的情况。只要一个值不是 Option 类型，你就 可以 安全的认定它的值不为空。这是 Rust 的一个经过深思熟虑的设计决策，来限制空值的泛滥以增加 Rust 代码的安全性。

那么当有一个 Option 的值时，如何从 Some 成员中取出 T 的值来使用它呢？Option 枚举拥有大量用于各种情况的方法：你可以查看它的文档。熟悉 Option 的方法将对你的 Rust 之旅非常有用。

总的来说，为了使用 Option 值，需要编写处理每个成员的代码。你想要一些代码只当拥有 Some(T) 值时运行，允许这些代码使用其中的 T。也希望一些代码在值为 None 时运行，这些代码并没有一个可用的 T 值。match 表达式就是这么一个处理枚举的控制流结构：它会根据枚举的成员运行不同的代码，这些代码可以使用匹配到的值中的数据。

这里先简单看一下 match 的大致模样，在模式匹配中，我们会详细讲解：

fn plus_one(x: Option<i32>) -> Option<i32> {
    match x {
        None => None,
        Some(i) => Some(i + 1),
    }
}

let five = Some(5);
let six = plus_one(five);
let none = plus_one(None);

plus_one 通过 match 来处理不同 Option 的情况。

数组

在日常开发中，使用最广的数据结构之一就是数组，在 Rust 中，最常用的数组有两种，第一种是速度很快但是长度固定的 array，第二种是可动态增长的但是有性能损耗的 Vector，在本书中，我们称 array 为数组，Vector 为动态数组。

不知道你们发现没，这两个数组的关系跟 &str 与 String 的关系很像，前者是长度固定的字符串切片，后者是可动态增长的字符串。其实，在 Rust 中无论是 String 还是 Vector，它们都是 Rust 的高级类型：集合类型，在后面章节会有详细介绍。

对于本章节，我们的重点还是放在数组 array 上。数组的具体定义很简单：将多个类型相同的元素依次组合在一起，就是一个数组。结合上面的内容，可以得出数组的三要素：

• 长度固定
• 元素必须有相同的类型
• 依次线性排列

这里再啰嗦一句，我们这里说的数组是 Rust 的基本类型，是固定长度的，这点与其他编程语言不同，其它编程语言的数组往往是可变长度的，与 Rust 中的动态数组 Vector 类似，希望读者大大牢记此点。

创建数组

在 Rust 中，数组是这样定义的：

fn main() {
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];
}

数组语法跟 JavaScript 很像，也跟大多数编程语言很像。由于它的元素类型大小固定，且长度也是固定，因此数组 array 是存储在栈上，性能也会非常优秀。与此对应，动态数组 Vector 是存储在堆上，因此长度可以动态改变。当你不确定是使用数组还是动态数组时，那就应该使用后者，具体见动态数组 Vector。

举个例子，在需要知道一年中各个月份名称的程序中，你很可能希望使用的是数组而不是动态数组。因为月份是固定的，它总是只包含 12 个元素：

let months = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];

在一些时候，还需要为数组声明类型，如下所示：

let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

这里，数组类型是通过方括号语法声明，i32 是元素类型，分号后面的数字 5 是数组长度，数组类型也从侧面说明了数组的元素类型要统一，长度要固定。

还可以使用下面的语法初始化一个某个值重复出现 N 次的数组：

let a = [3; 5];

a 数组包含 5 个元素，这些元素的初始化值为 3，聪明的读者已经发现，这种语法跟数组类型的声明语法其实是保持一致的：[3; 5] 和 [类型; 长度]。

在元素重复的场景，这种写法要简单的多，否则你就得疯狂敲击键盘：let a = [3, 3, 3, 3, 3];，不过老板可能很喜欢你的这种疯狂编程的状态。

访问数组元素

因为数组是连续存放元素的，因此可以通过索引的方式来访问存放其中的元素：

fn main() {
    let a = [9, 8, 7, 6, 5];

    let first = a[0]; // 获取a数组第一个元素
    let second = a[1]; // 获取第二个元素
}

与许多语言类似，数组的索引下标是从 0 开始的。此处，first 获取到的值是 9，second 是 8。

越界访问

如果使用超出数组范围的索引访问数组元素，会怎么样？下面是一个接收用户的控制台输入，然后将其作为索引访问数组元素的例子：

use std::io;

fn main() {
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];

    println!("Please enter an array index.");

    let mut index = String::new();
    // 读取控制台的输出
    io::stdin()
        .read_line(&mut index)
        .expect("Failed to read line");

    let index: usize = index
        .trim()
        .parse()
        .expect("Index entered was not a number");

    let element = a[index];

    println!(
        "The value of the element at index {} is: {}",
        index, element
    );
}

使用 cargo run 来运行代码，因为数组只有 5 个元素，如果我们试图输入 5 去访问第 6 个元素，则会访问到不存在的数组元素，最终程序会崩溃退出：

Please enter an array index.
5
thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 5 but the index is 5', src/main.rs:19:19
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

这就是数组访问越界，访问了数组中不存在的元素，导致 Rust 运行时错误。程序因此退出并显示错误消息，未执行最后的 println! 语句。

当你尝试使用索引访问元素时，Rust 将检查你指定的索引是否小于数组长度。如果索引大于或等于数组长度，Rust 会出现 panic。这种检查只能在运行时进行，比如在上面这种情况下，编译器无法在编译期知道用户运行代码时将输入什么值。

这种就是 Rust 的安全特性之一。在很多系统编程语言中，并不会检查数组越界问题，你会访问到无效的内存地址获取到一个风马牛不相及的值，最终导致在程序逻辑上出现大问题，而且这种问题会非常难以检查。

数组元素为非基础类型

学习了上面的知识，很多朋友肯定觉得已经学会了Rust的数组类型，但现实会给我们一记重锤，实际开发中还会碰到一种情况，就是数组元素是非基本类型的，这时候大家一定会这样写。

let array = [String::from("rust is good!"); 8];

println!("{:#?}", array);

然后你会惊喜的得到编译错误。

error[E0277]: the trait bound `String: std::marker::Copy` is not satisfied
 --> src/main.rs:7:18
  |
7 |     let array = [String::from("rust is good!"); 8];
  |                  ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `std::marker::Copy` is not implemented for `String`
  |
  = note: the `Copy` trait is required because this value will be copied for each element of the array

有些还没有看过特征的小伙伴，有可能不太明白这个报错，不过这个目前可以不提，我们就拿之前所学的所有权知识，就可以思考明白，前面几个例子都是Rust的基本类型，而基本类型在Rust中赋值是以Copy的形式，这时候你就懂了吧，let array=[3;5]底层就是不断的Copy出来的，但很可惜复杂类型都没有深拷贝，只能一个个创建。

接着就有小伙伴会这样写。

let array = [String::from("rust is good!"),String::from("rust is good!"),String::from("rust is good!")];

println!("{:#?}", array);

作为一个追求极致完美的Rust开发者，怎么能容忍上面这么难看的代码存在！

正确的写法，应该调用std::array::from_fn

let array: [String; 8] = std::array::from_fn(|_i| String::from("rust is good!"));

println!("{:#?}", array);

数组切片

在之前的章节，我们有讲到 切片 这个概念，它允许你引用集合中的部分连续片段，而不是整个集合，对于数组也是，数组切片允许我们引用数组的一部分：

let a: [i32; 5] = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice: &[i32] = &a[1..3];

assert_eq!(slice, &[2, 3]);

上面的数组切片 slice 的类型是&[i32]，与之对比，数组的类型是[i32;5]，简单总结下切片的特点：

• 切片的长度可以与数组不同，并不是固定的，而是取决于你使用时指定的起始和结束位置
• 创建切片的代价非常小，因为切片只是针对底层数组的一个引用
• 切片类型[T]拥有不固定的大小，而切片引用类型&[T]则具有固定的大小，因为 Rust
  很多时候都需要固定大小数据类型，因此&[T]更有用,&str字符串切片也同理

总结

最后，让我们以一个综合性使用数组的例子，来结束本章节的学习：

fn main() {
  // 编译器自动推导出one的类型
  let one             = [1, 2, 3];
  // 显式类型标注
  let two: [u8; 3]    = [1, 2, 3];
  let blank1          = [0; 3];
  let blank2: [u8; 3] = [0; 3];

  // arrays是一个二维数组，其中每一个元素都是一个数组，元素类型是[u8; 3]
  let arrays: [[u8; 3]; 4]  = [one, two, blank1, blank2];

  // 借用arrays的元素用作循环中
  for a in &arrays {
    print!("{:?}: ", a);
    // 将a变成一个迭代器，用于循环
    // 你也可以直接用for n in a {}来进行循环
    for n in a.iter() {
      print!("\t{} + 10 = {}", n, n+10);
    }

    let mut sum = 0;
    // 0..a.len,是一个 Rust 的语法糖，其实就等于一个数组，元素是从0,1,2一直增加到到a.len-1
    for i in 0..a.len() {
      sum += a[i];
    }
    println!("\t({:?} = {})", a, sum);
  }
}

做个总结，数组虽然很简单，但是其实还是存在几个要注意的点：

• 数组类型容易跟数组切片混淆，[T;n]描述了一个数组的类型，而[T]描述了切片的类型，
  因为切片是运行期的数据结构，它的长度无法在编译期得知，因此不能用[T;n]的形式去描述
• [u8; 3]和[u8; 4]是不同的类型，数组的长度也是类型的一部分
• 在实际开发中，使用最多的是数组切片[T]，我们往往通过引用的方式去使用&[T]，因为后者有固定的类型大小

至此，关于数据类型部分，我们已经全部学完了，对于 Rust 学习而言，我们也迈出了坚定的第一步，后面将开始更高级特性的学习。未来如果大家有疑惑需要检索知识，一样可以继续回顾过往的章节，因为本书不仅仅是一门 Rust 的教程，还是一本厚重的 Rust 工具书。