17.1 面向对象语言的特征

关于一门语言必须具备哪些特征才能被视为面向对象，目前在编程社区中并没有共识。Rust 受到了许多编程范式的影响，包括面向对象编程（OOP）；例如，在第 13 章中，我们探讨了来自函数式编程的特性。可以说，面向对象的语言共有一些共同的特征，即对象、封装和继承。我们将会讨论这些特征分别是什么，以及 Rust 是否支持它们。

# 对象包含数据和行为

由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides（Addison-Wesley Professional, 1994）编写的书 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software ，通称 The Gang of Four (“四人帮”)，是一本面向对象设计模式的目录。它这样定义面向对象编程：

在这个定义下，Rust 是面向对象的：结构体和枚举包含数据而 impl 块提供了在结构体和枚举之上的方法。虽然带有方法的结构体和枚举并不被 称为 对象，但是它们提供了与对象相同的功能，参考 The Gang of Four 中对象的定义。

# 封装隐藏了实现细节

另一个通常与面向对象编程关联的概念是 封装（encapsulation）：一个对象的实现细节对使用该对象的代码不可访问。因此，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能直接触及对象的内部并改变数据或行为。这使得程序员能够更改和重构一个对象的内部实现，而无需改变使用该对象的代码。

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、函数和方法是公有的，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 AveragedCollection 结构体，其中有一个存有 Vec<i32> 的字段。该结构体还可以有一个字段存储其平均值，以便需要时取用。示例 17-1 给出了 AveragedCollection 结构体的定义：

文件名：src/lib.rs

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

示例 17-1: AveragedCollection 结构体维护了一个整型列表及其所有元素的平均值。

该结构体被标记为 pub，这样其他代码就可以使用它，但结构体内的字段保持私有。这在这种情况下很重要，因为我们想确保每当列表中添加或删除值时，平均值也会更新。我们通过实现结构体上的 add、remove 和 average 方法来做到这一点，如示例 17-2 所示：

文件名：src/lib.rs

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;
    }
}

示例 17-2: 在 AveragedCollection 结构体上实现了 add、remove 和 average 公有方法

公有方法 add、remove 和 average 是修改 AveragedCollection 实例的唯一方式。当使用 add 方法把一个元素加入到 list 或者使用 remove 方法来删除时，这些方法的实现同时会调用私有的 update_average 方法来更新 average 字段。

list 和 average 是私有的，所以没有其他方式来使得外部的代码直接向 list 增加或者删除元素，否则 list 改变时可能会导致 average 字段不同步。average 方法返回 average 字段的值，这使得外部的代码只能读取 average 而不能修改它。

因为我们已经封装了 AveragedCollection 的实现细节，改动数据结构等内部实现非常简单。例如，可以使用 HashSet<i32> 代替 Vec<i32> 作为 list 字段的类型。只要 add、remove 和 average 这些公有方法的签名保持不变，使用 AveragedCollection 的代码就无需改变。如果我们将 list 设为公有，情况就未必如此： HashSet<i32> 和 Vec<i32> 使用不同的方法增加或移除项，所以如果外部代码直接修改 list ，很可能需要进行更改。

如果封装被认为是面向对象语言所必要的特征，那么 Rust 满足这个要求。在代码中不同的部分控制 pub 的使用来封装实现细节。

# 继承，作为类型系统与代码共享

继承（Inheritance）是一种机制：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，无需再次定义。

如果一种语言必须具有继承才能被认为是面向对象语言，那么 Rust 不是其中之一。Rust 不支持定义一个结构体时继承父结构体的字段和方法，除非使用宏。

然而，如果您习惯于在编程过程中使用继承，那么根据运用继承的原因，Rust 提供了其他解决方案。

选择继承有两个主要的原因。其一是代码复用：您可以为一种类型实现特定的行为，继承可将其复用到不同的类型上。在 Rust 代码中可以使用默认 trait 方法实现来进行有限的代码复用，就像示例 10-14 中在 Summary trait 上增加的 summarize 方法的默认实现。任何实现了 Summary trait 的类型都可以使用 summarize 方法而无须进一步实现。这类似于父类有一个方法的实现，继承的子类也拥有这个方法的实现。当实现 Summary trait 时也可以选择覆盖 summarize 的默认实现，这类似于子类覆盖从父类继承方法的实现。

其二与类型系统有关：子类型可以用于父类型被使用的地方。这也被称为 多态（polymorphism）：如果多个对象共享某些特征，可以在运行时将它们互相替代。

作为一种语言设计的解决方案，继承在许多新的编程语言中逐渐不被青睐，因为它经常有分享过多代码的风险。子类不应总是共享父类的所有特征，但是继承始终如此。它还引入了在子类上调用方法的可能性，这些方法可能没有意义，或因为方法不适用于子类而导致错误。此外，一些语言只允许单一继承（意味着子类只能从一个类继承），进一步限制了程序设计的灵活性。

出于这些原因，Rust 使用 trait 对象而非继承。接下来我们会讨论 Rust 如何使用 trait 对象实现多态性。