泛型与关联类型

翻译自：https://thomashartmann.dev/blog/on-generics-and-associated-types/

泛型与关联类型

和其他我学过的语言相比较，Rust有一些令人费解的概念。借用，所有权，借用检查这些概念大家应该已经都听说过了，我自己曾花费数小时在生命期问题上，最终不得不放弃抗争，转而采用Clone来解决。

关联类型虽然不是什么令人抓狂的概念，但我还是尝试了很多工作来试图正确的理解它，或者说至少我认为我自己理解了。

TL;DR:

一个关于何时使用泛型何时使用关联类型的粗略答案是：如果针对特定类型的trait有多个实现（例如From）则使用泛型，否则使用关联类型（例如Iterator 和 Deref）。

本文目标和限制

本文的目的是解释泛型和关联类型的相似与不同之处。特别是针对trait，因为关联类型主要用于trait。

此外，虽然我们在讨论关联类型，但是我们不会涉及泛关联类型（generic associated types）。如果你对这一主题感兴趣，可以参考下RFC。

如果读完本文，你还是不太理解我所说的，建议阅读下Rust Book的 高级Traits章节，特别是关于关联类型。

最后，阅读本文需要你有一些编程经验（Rust），以及基本的泛型编程思想。关于Rust中的泛型，可以参考10.1 泛型。

定义

为了确保我们的理解一致，先来定义一些基本概念。

泛型（Generic Types）

在trait上下文中， 泛型又被称作类型参数（type parameters），用于在具体实现trait时使用的类型。类型参数可以是完全开放的，或者受限于特定trait。

例如 std::convert::From trait, 其中的T泛型参数表明接受任何类型，你可以把任何类型T转换为目标类型，只要你实现了相应的转换方法。

受限（也叫bounded)泛型是指， trait X 声明只有实现了 trait Y的类型才能用于trait X，我们后续会看到例子。

关联类型（Associated Types）

关联类型，如同其名称所暗示，是指关联至某个trait的类型。当你定义该trait时，类型未指定，这一点和泛型很相似。同时你也可以对类型增加trait限制。

一个使用关联类型trait的重要例子是：Iterator。它有一个关联类型Item以及一个函数next。next返回Option。你可以用泛型实现同样的功能，但是后续我们会解释使用关联类型可以在某些情况下带来额外好处。

语法

更进一步之前，我们来浏览下这些概念的语法。我们尽量采用较少的抽象。此处定义两个traits：Generic和Associated，分别使用泛型和关联类型，并且观察使用trait限定和默认类型。

基础traits

使用类型参数化（type-parameterized）的trait:

trait Generic {

fn get(&self) -> T;

}

使用关联类型的trait：

trait Associated {

type T;

fn get(&self) -> Self::T;

}

注意观察两种定义的不同，类型T如何从泛型参数变为了trait自身定义的一部分，在关联类型中，我们无法直接像泛型一样直接使用T，而是使用Self::T。

加上trait限制

如果我们想对泛型参数或者关联类型加以特定trait限制定义，可以使用Rust常用的:表达式（bounds）。

例如限定类型必须实现了core::fmt::Display trait:

trait Generic {

fn get(&self) -> T;

}

// or using the `where` keyword

trait Generic

where

T: Display,

{

fn get(&self) -> T;

}

同样的，对于关联类型：

trait Associated {

type T: Display;

fn get(&self) -> Self::T;

}

默认类型

Rust一个很酷的特性是可以指定泛型的默认类型，通常使用默认类型，某些特殊情况使用重载类型。参看:默认泛型。

举例如下：

// basic trait, no constraint

trait Generic {

// ...

}

// with constraint

trait Generic {

// ...

}

// or using the `where` clause

trait Generic

where

T: Display,

{

// ...

}

经过尝试，我们无法在where中使用默认类型（= String）。

对于关联类型，目前在Rust stable环境中还没有对默认类型的支持。但是nightly build可以使用如下宏：#![feature(associated_type_defaults)]来启用。

我们来看下在关联类型中的使用：

#![feature(associated_type_defaults)]

// simple

trait Associated {

type T = String;

// ...

}

// with constraint

trait Associated {

type T: Display = String;

// ...

}

看起来和泛型用法很相似，而且你还可以更进一步：

trait Associated {

type T: Display = String;

type U = Self::T;

// ...

}

不知道这个feature什么时候能稳定下来，但确实是一个实用功能。

共性

到目前为止，我们已经了解了定义和语法，接下来我们来探索下共性。

泛型和关联类型最重要的一点是都允许你延迟决定trait类型到实现阶段。即使二者语法不同，关联类型总是可以用泛型来替代实现，但反之则不一定。RFC中有个说明："关联类型不会增加trait本身的表现力，因为你总是可以对trait增加额外的类型参数来达到同样目的"。但是，关联类型可以提供其他的好处。

既然关联类型总是可以被泛型来替代实现，那关联类型存在的意义是什么？

我们会解释下二者的不同，以及怎么选择。

不同之处

我们已经看到，泛型和关联类型在很多使用场合是重叠的，但是选择使用泛型还是关联类型是有原因的。

泛型允许你实现数量众多的具体traits(通过改变T来支持不同类型)，例如之前提到过的From trait，我们可以实现任意数量类型。

举例来看，假设你有一个类型定义：MyNumeric。你可以在此类型上实现 From, From, From等多种数据转换。这使得泛型在处理仅是类型参数不同的trait时特别有用。

关联类型，从另一方面来说，仅允许单个实现，因为一个类型仅能实现一个trait一次，这可以用来限制实现的数量。

Deref trait有一个关联类型：Target，用于解引用到目标类型。如果可以解引用到多个不同类型，会使人相当迷惑（对编译类型推导也很不友好）。

因为一个trait仅能被类型实现一次，关联类型带来了表达上的优势。使用关联类型意味着你不必对所有额外类型增加类型标注，这可以被认为是一个工程优势，具体见：RFC.

总结和进一步阅读

简而言之，当你想类型A能够对一个特定trait实现多种实现（基于不同类型参数），使用泛型。例如From。

如果仅实现特定trait一次，使用关联类型，例如Iterator和Deref。

如果你想了解更多的关于关联类型所能解决的问题，我推荐你阅读 RFC和Rust书中关联类型。Add trait 同时使用了泛型（默认）和关联类型，也值得一读。另外Stack overflow问答也包含一个详细的解释和例子。