6. 泛型与Trait篇¶

对应章节：第10章（泛型、trait、生命周期）。
本篇掌握行为抽象（trait）、代码复用（泛型）与借用安全（生命周期）。

项目 13：形状库¶

目标：用 trait 抽象"能算面积的形状"，泛型复用代码，生命周期处理引用。

创建项目¶

cargo new shapes --lib
cd shapes

说明：这是库项目（--lib），生成 src/lib.rs。如需命令行演示，可自行添加 src/main.rs（bin 与 lib 同名会自动互认）。

功能要求¶

定义 Shape trait（area + name）
实现 Circle、Rectangle、Triangle
泛型函数接收任意形状
演示生命周期 longest

知识点¶

知识点	说明
`trait` 定义	行为抽象（接口）
`impl Trait for Type`	实现 trait
泛型 `<T: Shape>`	类型参数 + trait 约束
trait 对象 `&dyn Shape`	动态分发
生命周期 `'a`	引用有效范围
静态 vs 动态分发	编译期 vs 运行期

代码¶

src/lib.rs：

// trait 定义"行为"：任何实现它的类型都能计算面积、给出名字
pub trait Shape {
    fn area(&self) -> f64;
    fn name(&self) -> &str;
}

// 三个形状结构体（字段设为 pub，方便在 main 中直接构造）
pub struct Circle { pub radius: f64 }
pub struct Rectangle { pub width: f64, pub height: f64 }
pub struct Triangle { pub base: f64, pub height: f64 }

// 为 Circle 实现 Shape
impl Shape for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius
    }
    fn name(&self) -> &str { "圆形" }
}

impl Shape for Rectangle {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.width * self.height
    }
    fn name(&self) -> &str { "矩形" }
}

impl Shape for Triangle {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.base * self.height / 2.0
    }
    fn name(&self) -> &str { "三角形" }
}

// 泛型函数：T 必须实现 Shape
// 编译期把 T 替换为具体类型 → 静态分发，性能好
pub fn describe<T: Shape>(shape: &T) -> String {
    format!("{} 面积是 {:.2}", shape.name(), shape.area())
}

// trait 对象：&dyn Shape 表示"任意实现 Shape 的类型"
// 运行时查虚表（动态分发），可以装不同类型的形状混合使用
pub fn describe_all(shapes: &[&dyn Shape]) -> Vec<String> {
    shapes.iter().map(|s| describe(*s)).collect()
}

// 生命周期：返回的引用与较短的输入引用同寿命
// 'a 是编译器用来检查"返回的引用不会悬空"的标注
pub fn longest<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str {
    if a.len() >= b.len() { a } else { b }
}

src/main.rs：

use geometry::{Circle, Rectangle, Shape, Triangle, describe, describe_all, longest};

fn main() {
    let c = Circle { radius: 3.0 };
    let r = Rectangle { width: 4.0, height: 5.0 };
    let t = Triangle { base: 6.0, height: 2.0 };

    // 泛型：编译期确定具体类型
    println!("{}", describe(&c));
    println!("{}", describe(&r));
    println!("{}", describe(&t));

    // trait 对象（动态分发）：三种不同类型放进同一个数组
    let shapes: [&dyn Shape; 3] = [&c, &r, &t];
    for s in describe_all(&shapes) {
        println!("{}", s);
    }

    // 生命周期：longest 返回的引用与传入参数绑定
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = String::from("world");
    let result = longest(&s1, &s2);   // result 借用 s1/s2，它们不能提前释放
    println!("最长的是：{}", result);
}

运行¶

cargo run

注意事项¶

泛型 vs trait 对象：describe<T: Shape> 编译期展开（静态分发，性能好）；&dyn Shape 运行时查虚表（动态分发，灵活，可混合类型）。按需选择。
生命周期 'a 是约束：longest<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str 表示"返回值和输入引用寿命相同"——编译器用这个约束检查借用不悬空。
&[&dyn Shape]：数组元素是引用，引用指向的是 trait 对象。
trait 需要 pub 才能跨 crate 使用：describe/describe_all/longest 在 main 中调用，必须 pub。

进阶：纯库 + 单元测试¶

trait 更小：Area 只有 area 方法——接口越小，实现越省
Triangle 用三边：字段 a/b/c 配海伦公式，而不是底×高÷2
固有 impl 构造器：每个形状配 new 关联函数（注意没加 pub，见要点3）
total_area 动态分发求和：&[&dyn Area] 混装三种形状
没有 main.rs：纯库项目，正确性全靠单元测试验证

src/lib.rs：

pub trait Area {
    fn area(&self) -> f64;
}

pub struct Circle {
    pub radius: f64,
}

pub struct Rectangle {
    pub width: f64,
    pub height: f64,
}

pub struct Triangle {
    pub a: f64,
    pub b: f64,
    pub c: f64,
}

impl Area for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius
    }
}

// 固有 impl：类型自己的方法，不属于任何 trait
impl Circle {
    fn new(radius: f64) -> Self {
        Circle { radius }
    }
}

impl Area for Rectangle {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.width * self.height
    }
}

impl Rectangle {
    fn new(width: f64, height: f64) -> Self {
        Rectangle { width, height }
    }
}

impl Triangle {
    fn new(a: f64, b: f64, c: f64) -> Self {
        Triangle { a, b, c }
    }
}

impl Area for Triangle {
    fn area(&self) -> f64 {
        // 海伦公式：s = 半周长，面积 = √(s(s-a)(s-b)(s-c))
        let s = (self.a + self.b + self.c) / 2.0;
        (s * (s - self.a) * (s - self.b) * (s - self.c)).sqrt()
    }
}

// trait 对象切片：不同形状混在一起求总面积（动态分发）
pub fn total_area(shapes: &[&dyn Area]) -> f64 {
    shapes.iter().map(|s| s.area()).sum()
}

pub fn longest<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str {
    if a.len() > b.len() { a } else { b }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn circle_area() {
        let circle = Circle { radius: 5.0 };
        assert_eq!(circle.area(), std::f64::consts::PI * 25.0);
    }

    #[test]
    fn rectangle_area() {
        let rectangle = Rectangle {
            width: 5.0,
            height: 10.0,
        };
        assert_eq!(rectangle.area(), 50.0);
    }

    #[test]
    fn triangle_area() {
        let triangle = Triangle {
            a: 3.0,
            b: 4.0,
            c: 5.0,
        };
        assert_eq!(triangle.area(), 6.0);   // 3-4-5 直角三角形
    }

    #[test]
    fn total_area_of_shapes() {
        let c1 = Circle::new(1.0);
        let c2 = Circle::new(2.0);
        let shapes: Vec<&dyn Area> = vec![&c1, &c2];

        let total = total_area(&shapes);
        // 浮点数不能直接比相等，用误差范围判断
        assert!((total - 15.7079).abs() < 0.0001);
    }

    #[test]
    fn total_area_mixed() {
        let c = Circle::new(1.0);
        let r = Rectangle::new(3.0, 4.0);
        let t = Triangle::new(3.0, 4.0, 5.0);
        let shapes: Vec<&dyn Area> = vec![&c, &r, &t];

        let total = total_area(&shapes);
        assert!((total - 21.1416).abs() < 0.001);
    }

    #[test]
    fn longest_test() {
        let s1 = String::from("short");
        let s2 = String::from("longer");
        assert_eq!(longest(&s1, &s2), &s2[..]);
    }
}

运行¶

cargo test
# running 6 tests
# test tests::circle_area ... ok
# test tests::rectangle_area ... ok
# ...
# test result: ok. 6 passed

要点¶

接口设计取舍：Area（单方法）vs Shape（area+name）——不需要名字时，小 trait 让实现者少写代码；需要时再加。trait 可以之后扩展，但删除方法算破坏性变更。
固有 impl vs trait impl：Circle::new 写在普通 impl Circle 里（类型自带能力）；fn area 写在 impl Area for Circle 里（满足契约）。调用方式也不同：Circle::new(1.0) vs c.area()。
可见性实战：new 没加 pub，库外部调不到它；单元测试在同一个 crate 内，所以能用——这就是 pub 边界的实际含义。想让外部用构造器就加 pub。
浮点断言：(total - expected).abs() < 0.0001 而不是 assert_eq!——二进制浮点有舍入误差，精确比较会翻车。

6. 泛型与Trait篇¶

项目 13：形状库¶

创建项目¶

功能要求¶

知识点¶

代码¶

运行¶

注意事项¶

进阶：纯库 + 单元测试¶

运行¶

要点¶

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