楔子

結(jié)構(gòu)體是一種自定義的數(shù)據(jù)類型，它允許我們將多個不同的類型組合成一個整體。下面我們就來學習如何定義和使用結(jié)構(gòu)體，并對比元組與結(jié)構(gòu)體之間的異同。后續(xù)我們還會討論如何定義方法和關(guān)聯(lián)函數(shù)，它們可以指定那些與結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)相關(guān)的行為。

定義并實例化結(jié)構(gòu)體

結(jié)構(gòu)體與我們之前討論過的元組有些相似，和元組一樣，結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)可以擁有不同的類型。而和元組不一樣的是，結(jié)構(gòu)體需要給每個數(shù)據(jù)賦予名字以便清楚地表明它們的意義。正是由于有了這些名字，結(jié)構(gòu)體的使用要比元組更加靈活：你不再需要依賴順序索引來指定或訪問實例中的值。

關(guān)鍵字 struct 被用來定義并命名結(jié)構(gòu)體，一個良好的結(jié)構(gòu)體名稱應當能夠反映出自身數(shù)據(jù)組合的意義。除此之外，我們還需要在隨后的花括號中聲明所有數(shù)據(jù)的名字及類型，舉個例子：

struct?Girl?{
????name:?String,
????age:?u8,
????email:?String,
}

為了使用定義好的結(jié)構(gòu)體，我們需要為每個字段賦予具體的值來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體實例，可以通過聲明結(jié)構(gòu)體名稱，并使用一對大括號包含鍵值對的方式來創(chuàng)建實例。其中的鍵對應字段的名字，而值則對應我們想要在這些字段中存儲的數(shù)據(jù)。

let?g?=?Girl?{
????name:?String::from("古明地覺"),
????age:?16,
????email:?String::from("satori@komeiji.com"),
};

注意：字段的賦值順序和在結(jié)構(gòu)體中的聲明順序并不需要保持一致，換句話說，結(jié)構(gòu)體的定義就像類型的通用模板一樣，當我們將具體的數(shù)據(jù)填入模板時就創(chuàng)建出了新的實例。

在獲得了結(jié)構(gòu)體實例后，我們可以通過點號來訪問實例中的特定字段，比如你想獲得某個 Girl 的電子郵件地址，那么可以使用 g.email 來獲取。另外，如果這個結(jié)構(gòu)體的實例是可變的，那么我們還可以通過點號來修改字段中的值。

struct?Girl?{
????name:?String,
????age:?u8,
????email:?String,
}

fn?main()?{
????let?mut?g?=?Girl?{
????????name:?String::from("古明地覺"),
????????age:?16,
????????email:?String::from("satori@komeiji.com"),
????};
????println!("g.email?=?{}",?g.email);
????//?g.email?=?satori@komeiji.com

????g.email?=?String::from("satori@komeiji123.com");
????println!("g.email?=?{}",?g.email);
????//?g.email?=?satori@komeiji123.com
}

需要注意的是，一旦實例可變，那么實例中的所有字段也將是可變的。比如代碼中的變量 g 聲明為 mut，那么不僅它本身是可變的（可以賦值一個新的結(jié)構(gòu)體實例給它），它內(nèi)部的字段也是可變的（可以對內(nèi)部的字段進行修改）。

這和我們之前介紹的數(shù)組和元組類似，對于任意一個復合類型的變量來說，不管是重新賦值，還是修改內(nèi)部的某個元素，都要求變量必須是可變的。

當然結(jié)構(gòu)體實例也如同其它表達式一樣，我們可以在函數(shù)體的最后一個表達式中構(gòu)造結(jié)構(gòu)體實例，來隱式地將這個實例作為結(jié)果返回。

struct?Girl?{
????name:?String,
????age:?u8,
????email:?String,
}

fn?build_girl(name:?String,?age:?u8,
??????????????email:?String)?->?Girl?{
????Girl?{
????????name:?name,
????????age:?age,
????????email:?email,
????}
}

fn?main()?{
????let?g?=?build_girl(
????????String::from("古明地覺"),
????????16,
????????String::from("satori@komeiji.com"),
????);
????println!("{}?{}?{}",?g.name,?g.age,?g.email);
????//?古明地覺?16?satori@komeiji.com
}

在函數(shù)中使用與結(jié)構(gòu)體字段名相同的參數(shù)名可以讓代碼更加易于閱讀，但 name, age, email 同時作為字段名和變量名被書寫了兩次，則顯得有些煩瑣了，特別是當結(jié)構(gòu)體擁有較多字段時，為此?Rust 提供了一個簡便的寫法。

簡化版的實例化方式

由于上個例子中的參數(shù)與結(jié)構(gòu)體字段擁有完全一致的名稱，所以有些啰嗦。而如果你?IDE 比較智能的話，應該會給出提示：

所以我們可以使用名為字段初始化簡寫（field init shorthand）的語法來重構(gòu) build_girl 函數(shù)。這種語法不會改變函數(shù)的行為，但卻能讓我們免于在代碼中重復書寫。

fn?build_girl(name:?String,?age:?u8,
??????????????email:?String)?->?Girl?{
????Girl { age,?name,?email }
}

build_girl 函數(shù)中使用了相同的參數(shù)名與字段名，并采用了字段初始化簡寫的語法進行編寫。注意：這里順序不要求一致，變量會自動賦給和自己名字相同的字段。如果變量名和結(jié)構(gòu)體字段名不同，那么在賦值的時候必須指定字段名。

fn?build_girl(name_xxx:?String,?age_xxx:?u8,
??????????????email_xxx:?String)?->?Girl?{
????Girl?{
????????name:?name_xxx,
????????age:?age_xxx,
????????email:?email_xxx,
????}
}

這里我們故意在變量名的結(jié)尾后面加上了 _xxx，它們和結(jié)構(gòu)體字段不相同，此時必須指定字段名。可能有人想到了 C 語言，那么下面這種賦值方式可不可以呢？

在 C 和 Go 里面是可以的，如果不指定字段名，那么會將傳遞的變量按照順序分別賦給結(jié)構(gòu)體的每一個字段。但在 Rust 里面是不可以的，IDE 也給出了提示，Rust 要求構(gòu)造結(jié)構(gòu)體實例的時候必須指定字段名，除非變量名和字段名一致。比如下面這個例子：

age 變量和結(jié)構(gòu)體的 age 字段名稱一致，那么 age 變量會賦值給 age 字段，而其它變量和結(jié)構(gòu)體字段的名稱不一致，因此賦值的時候必須指定字段名，并且賦值的時候不用考慮順序。

基于已有結(jié)構(gòu)體實例創(chuàng)建

在很多時候，新創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)實例中，除了需要修改的小部分字段，其余字段的值與某個舊結(jié)構(gòu)體實例完全相同，于是我們可以使用結(jié)構(gòu)體更新語法來快速實現(xiàn)此類新實例的創(chuàng)建。先來看看最直接的創(chuàng)建方法：

struct?Girl?{
????name:?String,
????age:?u8,
????email:?String,
}

fn?main()?{
????let?g1?=?Girl?{
????????name:?String::from("古明地覺"),
????????age:?16,
????????email:?String::from("satori@komeiji.com"),
????};
????let?g2?=?Girl?{
????????name:?String::from("古明地覺"),
????????age:?16,
????????email:?String::from("satori@komeiji123.com"),
????};
}

非常直接，在創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)體實例的時候直接初始化每一個字段即可，但問題是新創(chuàng)建的 g2 的 name, age 和已經(jīng)存在的 g1 是一樣的，我們沒必要重新寫一遍。所以此時可以使用結(jié)構(gòu)體更新語法，來根據(jù) g1 創(chuàng)建 g2，舉個例子。

fn?main()?{
????let?g1?=?Girl?{
????????name:?String::from("古明地覺"),
????????age:?16,
????????email:?String::from("satori@komeiji.com"),
????};
????let?g2?=?Girl?{
????????email:?String::from("satori@komeiji123.com"),
????????..g1
????};
}

我們只修改 email，因此 email 單獨賦值，剩余的字段和 g1 保持一致?？梢允褂?..g1?來表示剩下的那些還未被顯式賦值的字段，都和給定的結(jié)構(gòu)體實例 g1 一樣擁有相同的值。

并且需要注意，當使用 ..g1 這種形式時，它一定要放在最后面。當然啦，如果你不習慣 Rust 提供的這種語法的話，也可以使用最傳統(tǒng)的方式。

這種做法也是可以的，只不過此時必須要顯式指定字段名。因為 Rust 規(guī)定只有傳遞和字段名相同的變量時，才可以省略字段名。而 g1.name, g1.age 顯然和字段名不相同，所以此時字段名不可以省略。

元組結(jié)構(gòu)體

除了上面的方式之外，還可以使用另外一種類似于元組的方式定義結(jié)構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)體也被稱作元組結(jié)構(gòu)體。元組結(jié)構(gòu)體同樣擁有用于表明自身含義的名稱，但你無須在聲明時對其字段進行命名，僅保留字段的類型即可。

一般來說，當你想要給元組賦予名字，并使其區(qū)別于其它擁有同樣定義的元組時，就可以使用元組結(jié)構(gòu)體。在這種情況下，像常規(guī)結(jié)構(gòu)體那樣為每個字段命名反而顯得有些煩瑣和形式化了。

struct?Color(i32,?i32,?i32);

struct?Pointer(i32,?i32,?i32);

fn?main()?{
????let?black?=?Color(0,?0,?0);
????let?origin?=?Pointer(0,?0,?0);
}

定義元組結(jié)構(gòu)體時依然使用 struct 關(guān)鍵字開頭，并由結(jié)構(gòu)體名稱及元組中的類型組成，以上的代碼中展示了兩個分別叫作 Color 和 Point 的元組結(jié)構(gòu)體定義。

然后基于這兩個結(jié)構(gòu)體，創(chuàng)建了兩個變量 black 和 origin。但要注意它們是不同的類型，因為它們是不同的元組結(jié)構(gòu)體的實例。我們所定義的每一個結(jié)構(gòu)體都擁有自己的類型，即便結(jié)構(gòu)體中的字段是完全相同的。

例如，一個以 Color 類型作為參數(shù)的函數(shù)不能合法地接收 Point 類型的變量，即使它們都是由 3 個 i32 組成的。除此之外，元組結(jié)構(gòu)體實例的行為就像元組一樣：你可以通過模式匹配將它們解構(gòu)為單獨的部分，也可以通過?.?模式用索引來訪問特定字段。

沒有字段的空結(jié)構(gòu)體

也許會出乎你的意料，Rust 允許我們創(chuàng)建沒有任何字段的結(jié)構(gòu)體。因為這種結(jié)構(gòu)體與空元組十分相似，所以它們也被稱為空結(jié)構(gòu)體。當你想要在某些類型上實現(xiàn)一個 trait，卻不需要在該類型中存儲任何數(shù)據(jù)時，空結(jié)構(gòu)體就可以發(fā)揮相應的作用。

關(guān)于這里的 trait，后續(xù)會詳細介紹。

//?元組結(jié)構(gòu)體
//?里面只需要指定類型
struct?Color();

//?普通的結(jié)構(gòu)體
//?里面需要同時指定字段名和類型
struct?Girl?{}

//?但以上兩個結(jié)構(gòu)體都是空結(jié)構(gòu)體
fn?main()?{
????let?color?=?Color();
????let?g?=?Girl?{};
}

如果你有過 Go 的使用經(jīng)驗的話，你會發(fā)現(xiàn)當需要往 channel 里面發(fā)送數(shù)據(jù)，讓其它 goroutine 解除阻塞的時候，一般也都會發(fā)一個空結(jié)構(gòu)體實例進去。因為空結(jié)構(gòu)體實例的大小是 0，在協(xié)調(diào)事件通信的時候省內(nèi)存。

總之當我們需要用一個結(jié)構(gòu)體去做一些事情，但又不需要它存儲數(shù)據(jù)的時候，就可以使用空結(jié)構(gòu)體。

結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)的所有權(quán)

上面的結(jié)構(gòu)體定義中，我們使用了自持所有權(quán)的 String 類型而不是 &String 和 &str，這是一個有意為之的選擇。因為默認情況下，結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部不可以持有其它數(shù)據(jù)的引用。

這么做的原因也很簡單，假設結(jié)構(gòu)體實例存儲了變量 a 的引用，但某個時刻變量 a 離開了作用域，那么相應的內(nèi)存會被回收，而該結(jié)構(gòu)體實例再通過引用訪問的時候就會報錯，因為可能會訪問非法的內(nèi)存。所以我們希望這個結(jié)構(gòu)體實例擁有自身全部數(shù)據(jù)的所有權(quán)，而在這種情形下，只要結(jié)構(gòu)體是有效的，那么它攜帶的數(shù)據(jù)也全部都是有效的。

struct?Girl?{
????name:?&String,
????age:?u8,
????email:?&str,
}

這段代碼沒辦法通過檢查，Rust 會在編譯過程中報錯，提示我們應該指定生命周期：

正如上面說的那樣，如果結(jié)構(gòu)體實例的內(nèi)部持有某個變量的引用，那么當結(jié)構(gòu)體實例存活時，變量也必須存活，否則該結(jié)構(gòu)體就有可能訪問非法的內(nèi)存。

所以默認情況下，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部不能持有引用，如果想持有，那么必須指定生命周期。通過生命周期來保證結(jié)構(gòu)體實例中引用的數(shù)據(jù)的壽命不短于實例本身，從而讓結(jié)構(gòu)體實例在自己的有效期內(nèi)都能合法訪問引用的數(shù)據(jù)。

生命周期是 Rust 中的一個獨有的概念，非常重要，我們后面說，目前就先使用 String 吧。

使用結(jié)構(gòu)體的示例程序

為了能夠了解結(jié)構(gòu)體的使用時機，讓我們來編寫一個計算矩形面積的程序，并給出多個方案，看看哪種方案最好。

fn?get_area1(width:?u32,?height:?u32)?->?u32?{
????width?*?height
}

fn?get_area2(dimension:?(u32,?u32))?->?u32?{
????dimension.0?*?dimension.1
}

struct?Rectangle?{
????width:?u32,
????height:?u32,
}
fn?get_area3(rectangle:?&Rectangle)?->?u32?{
????rectangle.width?*?rectangle.height
}

以上三個函數(shù)都可以計算矩形的面積，那么哪種最好呢？

首先矩形的長和寬是互相關(guān)聯(lián)的兩個數(shù)據(jù)，但第一個函數(shù)卻有著兩個不同的參數(shù)，并且沒有任何一點能夠表明這兩個參數(shù)存在關(guān)聯(lián)。

第二個函數(shù)要求將長和寬組合成一個元組傳過來，它的效果稍微要好一些，使得輸入的參數(shù)結(jié)構(gòu)化了。但與此同時程序也變得難以閱讀了，因為元組并不會給出其中元素的名字，我們可能會對使用索引獲取的值產(chǎn)生困惑和混淆。

在計算面積時，混淆寬度和高度的使用似乎沒有什么問題，但當我們需要將這個矩形繪制到屏幕上時，這樣的混淆就會出問題了。我們必須牢牢地記住，元素的索引 0 對應了寬度 width，而索引 1 則對應了高度 height。由于沒有在代碼里表明數(shù)據(jù)的意義，我們總是會因為忘記或弄混這些不同含義的值而導致各種程序錯誤。

于是便有了第三個函數(shù)，它接收一個結(jié)構(gòu)體的引用。使用結(jié)構(gòu)體無疑是最好的方式，我們會分別給結(jié)構(gòu)體本身及它的每個字段賦予名字，而無須使用類似于元組索引的 0 或 1，這樣就更加清晰了。

但要注意的是，get_area3 接收的是結(jié)構(gòu)體的引用，而且是不可變引用。正如我們之前提到的，在函數(shù)簽名和調(diào)用過程中使用 & 是因為我們希望借用結(jié)構(gòu)體，而不是獲取它的所有權(quán)，這樣調(diào)用方在函數(shù)執(zhí)行完畢后還可以繼續(xù)使用它。

通過派生 trait 增加實用功能

需要說明的是，結(jié)構(gòu)體實例默認是不可以打印的。

我們知道宏 println! 可以執(zhí)行多種不同的文本格式化命令，而作為默認選項，格式化文本中的花括號會告知 println! 使用名為 Display 的格式化方法：這類輸出可以直接被展示給終端用戶。我們目前接觸過的所有基礎類型都默認實現(xiàn)了 Display，因為當你想要給用戶展示類似 1、3.14 這種基礎類型時沒有太多可供選擇的方式。

但對于結(jié)構(gòu)體而言，println! 則無法確定應該使用什么樣的格式化內(nèi)容：在輸出的時候需要逗號嗎？需要打印花括號嗎？所有的字段都要被展示嗎？正是由于這種不確定性，Rust 沒有為結(jié)構(gòu)體提供默認的 Display 實現(xiàn)。

那如果像元組那樣使用?{:?}?這種形式可以嗎？我們來試一下。

我們看到也不行，但提示我們原因是 Rectangle 沒有實現(xiàn) Debug 這個 trait，那么如何實現(xiàn)呢？

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

fn?main?()?{
????let?rect?=?Rectangle{
????????width:?30,
????????height:?50
????};
????println!("{:?}",?rect);
????println!("{:#?}",?rect);
????/*
????area?=?Rectangle?{?width:?30,?height:?50?}
????area?=?Rectangle?{
????width:?30,
????height:?50,
????}
????*/????
}

以上就成功輸出了，和元組一樣只能使用?{:?}?和?{:#?}?來打印，但是需要添加注解來派生 Debug trait。實際上，Rust 提供了許多可以通過 derive 注解來派生的 trait，它們可以為自定義的類型增加許多有用的功能。

這里的 trait 到底是啥，后續(xù)會詳細說，目前先知道有這么東西、以及怎么讓結(jié)構(gòu)體實例能夠打印即可。