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1. Generics — 全貌 🟢

你将学到：

  • 单态化如何提供零成本 generics —— 以及何时导致代码膨胀
  • 决策框架：generics vs enums vs trait objects
  • Const generics 用于编译时数组大小，const fn 用于编译时求值
  • 何时在冷路径上用静态dispatch 换取动态 dispatch

单态化与零成本

Rust 中的 generics 是单态化的 —— 编译器为每个 generic 函数生成一份专门化的副本，针对它所使用的每个具体类型。这与 Java/C# 相反，后者的 generics 在运行时被擦除。

fn max_of<T: PartialOrd>(a: T, b: T) -> T {
    if a >= b { a } else { b }
}

fn main() {
    max_of(3_i32, 5_i32);     // 编译器生成 max_of_i32
    max_of(2.0_f64, 7.0_f64); // 编译器生成 max_of_f64
    max_of("a", "z");         // 编译器生成 max_of_str
}

编译器实际生成的内容（概念上）：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 三个独立的函数 —— 无运行时 dispatch，无 vtable：
fn max_of_i32(a: i32, b: i32) -> i32 { if a >= b { a } else { b } }
fn max_of_f64(a: f64, b: f64) -> f64 { if a >= b { a } else { b } }
fn max_of_str<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str { if a >= b { a } else { b } }
}

为什么 max_of_str 需要 <'a> 而 max_of_i32 不需要？ i32 和 f64 是 Copy 类型 —— 函数返回一个自有值。但 &str 是引用， 所以编译器必须知道返回引用的生命周期。<'a> 注解 表示“返回的 &str 存活时间至少与两个输入一样长“。

优势：零运行时成本 —— 与手写的专门化代码相同。优化器可以内联、向量化，并独立专门化每个副本。

与 C++ 对比：Rust generics 像 C++ 模板一样工作，但有一个关键区别 —— bounds 检查发生在定义时，而非实例化时。在 C++ 中，模板仅在使用特定类型时才编译，导致库代码深处出现晦涩的错误消息。在 Rust 中，T: PartialOrd 在定义函数时就被检查，所以错误被及早发现，消息清晰。

#![allow(unused)]
fn main() {
// Rust：在定义位置报错 —— "T doesn't implement Display"
fn broken<T>(val: T) {
    println!("{val}"); // ❌ Error: T doesn't implement Display
}
}
#![allow(unused)]
fn main() {
// 修复：添加 bound
fn fixed<T: std::fmt::Display>(val: T) {
    println!("{val}"); // ✅
}
}

当 Generics 有害时：代码膨胀

单态化有代价 —— 二进制大小。每个唯一的实例化都会复制函数体：

// 这个无辜的函数...
fn serialize<T: serde::Serialize>(value: &T) -> Vec<u8> {
    serde_json::to_vec(value).unwrap()
}

// ...用于 50 个不同类型 → 二进制中 50 份副本。

缓解策略：

// 1. 提取非 generic 核心（"outline" 模式）
fn serialize<T: serde::Serialize>(value: &T) -> Result<Vec<u8>, serde_json::Error> {
    // Generic 部分：仅序列化调用
    let json_value = serde_json::to_value(value)?;
    // 非 Generic 部分：提取到独立函数
    serialize_value(json_value)
}

fn serialize_value(value: serde_json::Value) -> Result<Vec<u8>, serde_json::Error> {
    // 这个函数在二进制中只存在一次
    serde_json::to_vec(&value)
}

// 2. 当内联不关键时使用 trait objects（动态 dispatch）
fn log_item(item: &dyn std::fmt::Display) {
    // 一份副本 —— 使用 vtable 进行 dispatch
    println!("[LOG] {item}");
}

经验法则：对内联重要的热路径使用 generics。 对冷路径（错误处理、日志、配置）使用 dyn Trait， vtable 调用可忽略不计。

Generics vs Enums vs Trait Objects — 决策指南

Rust 中处理“不同类型，相同接口“的三种方式：

方法Dispatch已知于可扩展？开销
Generics（impl Trait / <T: Trait>）静态（单态化）编译时✅（开放集）零 —— 可内联
EnumMatch 分支编译时❌（封闭集）零 —— 无 vtable
Trait object（dyn Trait）动态（vtable）运行时✅（开放集）Vtable 指针 + 间接调用
 
// --- GENERICS：开放集，零成本，编译时 ---
fn process<H: Handler>(handler: H, request: Request) -> Response {
    handler.handle(request) // 单态化 —— 每个 H 一份副本
}

// --- ENUM：封闭集，零成本，穷尽匹配 ---
enum Shape {
    Circle(f64),
    Rect(f64, f64),
    Triangle(f64, f64, f64),
}

impl Shape {
    fn area(&self) -> f64 {
        match self {
            Shape::Circle(r) => std::f64::consts::PI * r * r,
            Shape::Rect(w, h) => w * h,
            Shape::Triangle(a, b, c) => {
                let s = (a + b + c) / 2.0;
                (s * (s - a) * (s - b) * (s - c)).sqrt()
            }
        }
    }
}
// 添加新变体强制更新所有 match 分支 —— 编译器
// 强制穷尽性。适合"我控制所有变体"的情况。

// --- TRAIT OBJECT：开放集，运行时成本，可扩展 ---
fn log_all(items: &[Box<dyn std::fmt::Display>]) {
    for item in items {
        println!("{item}"); // vtable dispatch
    }
}

决策流程图：

flowchart TD
    A["编译时知道所有<br>可能类型？"]
    A -->|"是，小的<br>封闭集"| B["Enum"]
    A -->|"是，但集<br>开放"| C["Generics<br>（单态化）"]
    A -->|"否 —— 类型<br>运行时决定"| D["dyn Trait"]

    C --> E{"热路径？<br>（百万次调用）"}
    E -->|是 | F["Generics<br>（可内联）"]
    E -->|否 | G["dyn Trait<br>可以"]

    D --> H{"需要在同一<br>集合中混合类型？"}
    H -->|是 | I["Vec&lt;Box&lt;dyn Trait&gt;&gt;"]
    H -->|否 | C

    style A fill:#e8f4f8,stroke:#2980b9,color:#000
    style B fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style C fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style D fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style F fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style G fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style I fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style E fill:#fef9e7,stroke:#f1c40f,color:#000
    style H fill:#fef9e7,stroke:#f1c40f,color:#000

Const Generics

自 Rust 1.51 起，你可以在常数值上参数化类型和函数，而不仅是类型：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 数组包装器，按大小参数化
struct Matrix<const ROWS: usize, const COLS: usize> {
    data: [[f64; COLS]; ROWS],
}

impl<const ROWS: usize, const COLS: usize> Matrix<ROWS, COLS> {
    fn new() -> Self {
        Matrix { data: [[0.0; COLS]; ROWS] }
    }

    fn transpose(&self) -> Matrix<COLS, ROWS> {
        let mut result = Matrix::<COLS, ROWS>::new();
        for r in 0..ROWS {
            for c in 0..COLS {
                result.data[c][r] = self.data[r][c];
            }
        }
        result
    }
}

// 编译器强制执行维度正确性：
fn multiply<const M: usize, const N: usize, const P: usize>(
    a: &Matrix<M, N>,
    b: &Matrix<N, P>, // N 必须匹配！
) -> Matrix<M, P> {
    let mut result = Matrix::<M, P>::new();
    for i in 0..M {
        for j in 0..P {
            for k in 0..N {
                result.data[i][j] += a.data[i][k] * b.data[k][j];
            }
        }
    }
    result
}

// 用法：
let a = Matrix::<2, 3>::new(); // 2×3
let b = Matrix::<3, 4>::new(); // 3×4
let c = multiply(&a, &b);      // 2×4 ✅

// let d = Matrix::<5, 5>::new();
// multiply(&a, &d); // ❌ 编译错误：期望 Matrix<3, _>，得到 Matrix<5, 5>
}

C++ 对比：这类似于 C++ 中的 template<int N>，但 Rust const generics 被急切地类型检查，不受 SFINAE 复杂性影响。

Const 函数（const fn）

const fn 标记一个函数可在编译时求值 —— Rust 的 C++ constexpr 等价物。结果可用于 const 和 static 上下文：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 基础 const fn —— 在 const 上下文中编译时求值
const fn celsius_to_fahrenheit(c: f64) -> f64 {
    c * 9.0 / 5.0 + 32.0
}

const BOILING_F: f64 = celsius_to_fahrenheit(100.0); // 编译时计算
const FREEZING_F: f64 = celsius_to_fahrenheit(0.0);  // 32.0

// Const 构造函数 —— 创建 statics 无需 lazy_static!
struct BitMask(u32);

impl BitMask {
    const fn new(bit: u32) -> Self {
        BitMask(1 << bit)
    }

    const fn or(self, other: BitMask) -> Self {
        BitMask(self.0 | other.0)
    }

    const fn contains(&self, bit: u32) -> bool {
        self.0 & (1 << bit) != 0
    }
}

// 静态查找表 —— 无运行时成本，无惰性初始化
const GPIO_INPUT:  BitMask = BitMask::new(0);
const GPIO_OUTPUT: BitMask = BitMask::new(1);
const GPIO_IRQ:    BitMask = BitMask::new(2);
const GPIO_IO:     BitMask = GPIO_INPUT.or(GPIO_OUTPUT);

// 寄存器映射作为 const 数组：
const SENSOR_THRESHOLDS: [u16; 4] = {
    let mut table = [0u16; 4];
    table[0] = 50;   // 警告
    table[1] = 70;   // 高
    table[2] = 85;   // 关键
    table[3] = 100;  // 关闭
    table
};
// 整个表存在于二进制中 —— 无堆，无运行时初始化。
}

在 const fn 中可以做什么（截至 Rust 1.79+）：

  • 算术、位操作、比较
  • if/else、match、loop、while（控制流）
  • 创建和修改局部变量（let mut）
  • 调用其他 const fns
  • 引用（&、&mut —— 在 const 上下文内）
  • panic!()（如果编译时触发则成为编译错误）
  • 基础浮点算术（+、-、*、/；复杂操作如 sqrt/sin 不符合 const 条件）

不能做什么（还）：

  • 堆分配（Box、Vec、String）
  • Trait 方法调用（仅固有方法）
  • I/O 或副作用
#![allow(unused)]
fn main() {
// 带 panic 的 const fn —— 在编译时成为编译错误：
const fn checked_div(a: u32, b: u32) -> u32 {
    if b == 0 {
        panic!("division by zero"); // 如果 b 在 const 时为 0 则是编译错误
    }
    a / b
}

const RESULT: u32 = checked_div(100, 4);  // ✅ 25
// const BAD: u32 = checked_div(100, 0);  // ❌ 编译错误："division by zero"
}

C++ 对比：const fn 是 Rust 的 constexpr。关键区别： Rust 的版本是选择加入的，编译器严格验证只使用 const 兼容操作。 在 C++ 中，constexpr 函数可以静默回退到运行时求值 —— 在 Rust 中， const 上下文要求编译时求值，否则是硬错误。

实用建议：尽可能使构造函数和简单工具函数成为 const fn —— 它没有成本，并允许调用者在 const 上下文中使用它们。对于硬件诊断代码， const fn 非常适合寄存器定义、位掩码构建和阈值表。

关键要点 —— Generics

  • 单态化提供零成本抽象，但可能导致代码膨胀 —— 对冷路径使用 dyn Trait
  • Const generics（[T; N]）用编译时检查的数组大小替代 C++ 模板技巧
  • const fn 消除了 lazy_static!，用于编译时可计算的值

另见： 第 2 章 — Traits 深入 了解 trait bounds、关联类型和 trait objects。第 4 章 — PhantomData 了解零大小 generic 标记。

练习：带淘汰的 Generic Cache ★★（约 30 分钟）

构建一个 generic 的 Cache<K, V> 结构体，存储键值对，具有可配置的最大容量。满时淘汰最旧的条目（FIFO）。要求：

  • fn new(capacity: usize) -> Self
  • fn insert(&mut self, key: K, value: V) —— 达到容量时淘汰最旧的
  • fn get(&self, key: &K) -> Option<&V>
  • fn len(&self) -> usize
  • 约束 K: Eq + Hash + Clone
🔑 解答 
use std::collections::{HashMap, VecDeque};
use std::hash::Hash;

struct Cache<K, V> {
    map: HashMap<K, V>,
    order: VecDeque<K>,
    capacity: usize,
}

impl<K: Eq + Hash + Clone, V> Cache<K, V> {
    fn new(capacity: usize) -> Self {
        Cache {
            map: HashMap::with_capacity(capacity),
            order: VecDeque::with_capacity(capacity),
            capacity,
        }
    }

    fn insert(&mut self, key: K, value: V) {
        if self.capacity == 0 {
            // 无容量！
            return;
        }
        if self.map.contains_key(&key) {
            self.map.insert(key, value);
            return;
        }
        if self.map.len() >= self.capacity {
            if let Some(oldest) = self.order.pop_front() {
                self.map.remove(&oldest);
            }
        }
        self.order.push_back(key.clone());
        self.map.insert(key, value);
    }

    fn get(&self, key: &K) -> Option<&V> {
        self.map.get(key)
    }

    fn len(&self) -> usize {
        self.map.len()
    }
}

fn main() {
    // 基础缓存测试
    let mut cache = Cache::new(3);
    cache.insert("a", 1);
    cache.insert("b", 2);
    cache.insert("c", 3);
    assert_eq!(cache.len(), 3);

    cache.insert("d", 4); // 淘汰 "a"
    assert_eq!(cache.get(&"a"), None);
    assert_eq!(cache.get(&"d"), Some(&4));

    // 留给读者：`capacity` 属性应该是什么类型，
    // 以确保无法定义这种无用的缓存？
    let mut empty_cache = Cache::new(0);
    empty_cache.insert("0", 0);
    assert_eq!(empty_cache.get(&"0"), None);
    assert_eq!(empty_cache.len(), 0);

    println!("Cache works! len = {}", cache.len());
}