结构体(Struct)
是一种自定义数据类型,允许将多个相关的值组合在一起,形成一个更复杂的数据结构。结构体被广泛应用于组织和管理数据,具有灵活性和强大的表达能力。
定义与声明
结构体定义
在Rust中,定义和声明结构体的语法如下:
struct Name { field1: Type1, field2: Type2, // ... fieldN: TypeN, }
其中,Name
是结构体的名称,每个数据名及其对应的数据类型组成一个字段,field1
到fieldN
是结构体的字段名称,Type1
到TypeN
是字段的数据类型。
通过关键字 struct 定义,指定结构体名称,结构体内用 field:type, 表示字段名称及数据类型,注意rust语言不能在定义的同时进行赋值,且用逗号分隔各字段,不像c/c++用分号。
结构体中可以根据需要定义字段个数,理论上要多少就定义多少;但实际上字段太多,结构体也会变得很占空间,对程序的空间效率是个负担。
结构体实例
如以下代码定义了一个名为Point的结构体,包含x和y两个字段,类型分别为i32和f64:
struct Point { x: i32, y: f64, }
定义结构体后,可以像使用其他类型一样使用它。例如,可以声明一个Point类型的变量,并为其字段赋值:
let my_point = Point { x: 10, y: 20.0 };
使用结构体时,用成员运算符 my_point.x 来调用对应字段的值:
println!("({},{})", point.x, point.y); // 输出:(10,20)
可变实例
需要变动字段的值,在声明时需要用 let mut,如:
struct Point { x: i32, y: f64, } fn main() { let mut point = Point { x: 10, y: 20.0 }; point.x = 5; println!("({},{})", point.x, point.y); // 输出:(5,20) }
结构体分类
在Rust中,结构体(Struct)可以按照不同的方式进行分类,以下是一些常见的分类方式:
单元结构体(Unit Struct)
这种结构体没有任何字段,它只是用于表示一个空的类型。这种结构体通常用于作为其他结构体的组成部分或返回类型。例如:
struct UnitStruct;
元组结构体(Tuple Struct)
这种结构体包含一组字段,可以通过元组语法来访问每个字段。元组结构体可以用于表示简单的数据集合,不使用大括号{},而是使用元组的小括号()。例如:
struct TupleStruct(i32, String);
相当字段数据没有名称的结构体,访问时使用索引。如:
struct Point (i32, f64); fn main() { let mut point = Point(10, 20.0); point.0 = 5; println!("({},{})", point.0, point.1); }
具名结构体(Named Struct)
这种结构体有一个显式的名称,并且包含一组字段。具名结构体可以用于表示复杂的数据结构,例如一个包含多个字段的对象,本文的示例大多数都为具名结构体,用法已在本文开头讲过:
struct MyStruct { field1: i32, field2: String, // ... }
除了以上三种常见的结构体类型,Rust还支持其他特殊类型的结构体,例如带有泛型参数的结构体、具名元组结构体(Named Tuple Struct)和结构体路径(Struct Type Alias)等。
需要注意的是,在Rust中,结构体的分类并不是强制性的,也就是说,一个结构体可以包含任意类型的字段,并且可以在任何地方使用。这使得结构体非常灵活,可以用于实现各种复杂的数据结构。
结构体字段的数据类型可以是以下常见的rust数据,甚至可以是函数、引用、指针类型。
标量类型(Scalar Types):
- 整数类型(Integer Types):包括有符号整数类型和无符号整数类型。常见的整数类型有
i8
、i16
、i32
、i64
、i128
表示有符号整数,u8
、u16
、u32
、u64
、u128
表示无符号整数。此外,还有isize
和usize
,它们根据平台的位数自动调整大小。 - 浮点数类型(Floating-Point Number Types):包括
f32
和f64
两种类型,表示单精度和双精度浮点数。 - 布尔类型(Boolean Type):只有两个取值,
true
和false
。 - 字符类型(Character Type):表示单个 Unicode 字符,通常存储为 4 个字节。
- 整数类型(Integer Types):包括有符号整数类型和无符号整数类型。常见的整数类型有
复合类型(Composite Types):
- 数组类型(Array Types):由相同类型的元素组成的有限集合。可以通过固定长度或动态长度来定义数组。
- 切片类型(Slice Types):对一个连续的内存块进行引用,可以看作是动态数组。切片类型提供了访问和操作数据的一种高效方式。
- 元组类型(Tuple Types):一种将多个不同类型的值组合在一起的数据结构,用圆括号和逗号分隔的元素序列表示。元组可以包含不同类型的元素,例如整数、浮点数、布尔值、字符串等。
- 结构体类型(Struct Types):一种自定义的数据类型,可以包含多个不同类型的字段。结构体可以通过定义来指定其字段和属性。
- 枚举类型(Enum Types):表示一个可能取多个值的变量。在 Rust 中,枚举类型使用
enum
关键字定义,每个可能的取值都是一个不同的枚举成员。
结构体嵌套
一个结构体可以包含任意类型的字段,当然也包括结构体。
在以下这个例子中,Address 结构体包含了 street、city 和 state 三个字段,而 Person 结构体则包含了 name、age 和 address 三个字段,其中 address 字段的类型是 Address 结构体。
struct Address { street: String, city: String, state: String, } struct Person { name: String, age: u8, address: Address, }
结构体方法
方法(method)是在结构体上定义的功能,可以访问结构体的字段并执行一些操作。使用关键字impl,结构体可以对应一个或多个impl代码块。
例1:结构体转换为字符串描述
struct Student { name:String, age:u32, school:String, major:String, grade:String, state:bool } impl Student { fn to_string(&self) -> String { format!("Student {{ name: {}, age: {}, school: {}, major: {}, grade: {}, state: {} }}", self.name, self.age, self.school, self.major, self.grade, self.state) } } fn main() { let school = String::from("东南大学"); let major = String::from("土木工程学院"); let s = Student{ name:String::from("杨程"), age:22, school, major, grade:String::from("大三"), state:true }; println!("{}", s.to_string()); }
输出:
Student { name: 杨程, age: 22, school: 东南大学, major: 土木工程学院, grade: 大三, state: true }
注意:上例中有一个rust结构体的特殊用法,使用同名变量在结构体外为对应字段赋值。
例2:矩形的周长和面积
struct Rectangle { width: f32, height: f32, } impl Rectangle { // 构造函数 fn new(width: f32, height: f32) -> Rectangle { Rectangle { width, height } } // 计算矩形的面积 fn area(&self) -> f32 { self.width * self.height } // 计算矩形的周长 fn perimeter(&self) -> f32 { (self.width + self.height) * 2.0 } } impl Rectangle { // 判断矩形是否相等 fn is_equal(&self, other: &Rectangle) -> bool { self.width == other.width && self.height == other.height } } fn main() { let rect1 = Rectangle::new(5.0, 6.0); let rect2 = Rectangle::new(5.0, 6.0); println!("Rectangle 1 area: {}", rect1.area()); println!("Rectangle 1 perimeter: {}", rect1.perimeter()); println!("Rectangle 2 area: {}", rect2.area()); println!("Rectangle 2 perimeter: {}", rect2.perimeter()); if rect1.is_equal(&rect2) { println!("Rectangles are equal"); } else { println!("Rectangles are not equal"); } }
输出:
Rectangle 1 area: 30
Rectangle 1 perimeter: 22
Rectangle 2 area: 30
Rectangle 2 perimeter: 22
Rectangles are equal
例3:结构体字段的更新与输出
struct Person { name: String, age: u32, } impl Person { // 这是构造函数,用于创建一个新的 Person 实例 fn new(name: String, age: u32) -> Person { Person { name, age } } fn say_hello(&self) { println!("Hello, my name is {} and I'm {}.", self.name, self.age); } fn update_age(&mut self, new_age: u32) { self.age = new_age; } fn update_name(&mut self, new_name: String) { self.name = new_name; } } fn main() { // 创建一个新的 Person 实例 let mut person = Person::new("Tom".to_string(), 5); // 调用 say_hello 方法,输出 Person 的信息 person.say_hello(); // 调用 update_age 方法,更新 Person 的年龄 person.update_age(3); // 再次调用 say_hello 方法,输出更新后的信息 person.say_hello(); person.update_age(5); person.update_name(String::from("Jerry")); person.say_hello(); }
输出:
Hello, my name is Tom and I'm 5.
Hello, my name is Tom and I'm 3.
Hello, my name is Jerry and I'm 5.
关联函数
之所以"结构体方法"不叫"结构体函数"是因为"函数"这个名字留给了这种函数:它在 impl 块中却没有 &self 参数。这种函数不依赖实例,但是使用它需要声明是在哪个 impl 块中的,比如上小节例2和例3中的构造函数new()就是关联函数,类似于字符串函数String::new(),String::from("Jerry")。
示例:
#[derive(Debug,Clone)] struct Rectangle { width: u32, height: u32, } impl Rectangle { fn create(width: u32, height: u32) -> Rectangle { Rectangle { width, height } } fn area(self) -> u32 { self.width * self.height } fn area2(&self) -> u32 { self.width * self.height } } fn main() { let rect = Rectangle::create(30, 50); println!("{:?}", rect); println!("Area: {}", Rectangle::area(rect.clone())); println!("Area: {}", rect.area2()); }
输出:
Rectangle { width: 30, height: 50 }
Area: 1500
Area: 1500
结构体方法与关联函数的区别
参数传递方式的区别
结构体方法:结构体方法默认情况下是可变的(mutable),也就是说可以修改结构体的字段。在调用方法时,可以通过引用(&self)或可变引用(&mut self)来传递结构体实例,以便修改其字段。例如:my_struct.my_method(&mut my_struct)
。
关联函数:关联函数默认情况下是不可变的(immutable),也就是说无法修改结构体的字段。在调用函数时,只能通过常量引用(&self)来传递结构体实例,因为常量引用是只读的。例如:let my_struct = MyStruct {...}; my_struct.my_function()
。
使用方式的区别
结构体方法:结构体方法可以直接在结构体实例上调用,无需显式传递结构体实例。例如:my_struct.my_method()。
关联函数:关联函数需要显式传递结构体实例作为参数。例如:MyStruct::my_function(my_struct)
。
结构体的trait
Rust 中的 trait 是一种抽象类型,用于定义泛型行为,trait 可以理解为一种接口。trait 使用关键字 derive 来自动生成实现。通过使用 derive,可以避免手动编写冗长的代码,提高代码的可读性和可维护性。trait 有很多,比如Copy,Clone,Debug,Default,Drop,Hash,Ord,PartialOrd,Send,Sync等等,先挑几种最常用的学一下:
#[derive(Debug)]
在 Rust 语言中用于自动生成一个结构体的 Debug 实现,Debug 是 Rust 标准库中的一个 trait,用于在控制台打印调试信息。
使用 #[derive(Debug)] 属性可以为结构体自动生成一个 Debug 实现,这样在需要打印调试信息时,就可以使用 {:?} 格式化字符串来打印该结构体的内容。例如,在上面的代码中,s 结构体的 Debug 实现已经被自动生成,因此可以使用 println!("{:?}", s) 来打印出结构体 s 的内容。
例1:
#[derive(Debug)] struct Point { x: i32, y: i32, } impl Point { fn distance(&self, other: &Point) -> f32 { let x_diff = self.x - other.x; let y_diff = self.y - other.y; ((x_diff * x_diff + y_diff * y_diff) as f32).sqrt() } } fn main() { let p1 = Point { x: 3, y: 0 }; let p2 = Point { x: 0, y: 4 }; println!("Distance between {:?} and {:?} is {}.", p1, p2, p1.distance(&p2)); }
输出:
Distance between Point { x: 3, y: 0 } and Point { x: 0, y: 4 } is 5.
例2:
#[derive(Debug)] struct Student { name: String, age: u32, school: String, major: String, grade: String, state: bool, } impl Student { fn new() -> Student { return Student { age: 0, name: String::new(), school: String::from(""), major: "".to_string(), grade: "".to_string(), state: false, }; } } fn main() { let mut s = Student::new(); s.name = String::from("杨程"); s.age = 22; s.school = String::from("东南大学"); s.major = String::from("土木工程学院"); s.grade = String::from("大三"); s.state = true; println!("{:?}", s); }
输出:
Student { name: "杨程", age: 22, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大三", state: true }
与上一小节的例2对比,输出内容基本一致,就多了String的引号标记。相比自动生成 Debug 实现可以简化代码编写过程,并且可以避免手动实现 Debug 时可能出现的错误。
在本例中,使用宏打印结构体println!("{:?}", s);时,第一行的代码#[derive(Debug)]是必须的,如果去掉就会报错:
error[E0277]: `Student` doesn't implement `Debug`
--> E:\.rs\struct2.rs:31:22
|
31 | println!("{:?}", s);
| ^ `Student` cannot be formatted using `{:?}`
|
= help: the trait `Debug` is not implemented for `Student`
= note: add `#[derive(Debug)]` to `Student` or manually `impl Debug for Student`
= note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider annotating `Student` with `#[derive(Debug)]`
|
1 + #[derive(Debug)]
2 | struct Student {
|error: aborting due to previous error
自定义打印宏
1. impl fmt::Debug for Student
返回值:fmt::Result; 调用:println!("{:?}", s);
use std::fmt; struct Student { name: String, age: u32, school: String, major: String, grade: String, state: bool, } impl fmt::Debug for Student { fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result { write!(f, "Student {{ name: {}, age: {}, school: {}, major: {}, grade: {}, state: {} }}", self.name, self.age, self.school, self.major, self.grade, self.state) } } fn main() { let school = String::from("东南大学"); let major = String::from("土木工程学院"); let s = Student { name: String::from("杨程"), age: 22, school, major, grade: String::from("大三"), state: true, }; println!("{:?}", s); }
输出:
Student { name: 杨程, age: 22, school: 东南大学, major: 土木工程学院, grade: 大三, state: true }
2. impl fmt::Display for Student
返回值:fmt::Result; 调用:println!("{}", s); {}里不需要:?
use std::fmt; struct Point { x: i32, y: i32, } impl fmt::Display for Point { fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result { write!(f, "({}, {})", self.x, self.y) } } impl Point { fn distance(&self, other: &Point) -> f32 { let x_diff = self.x - other.x; let y_diff = self.y - other.y; ((x_diff * x_diff + y_diff * y_diff) as f32).sqrt() } } fn main() { let p1 = Point { x: 3, y: 0 }; let p2 = Point { x: 0, y: 4 }; println!("Distance between {} and {} is {}.", p1, p2, p1.distance(&p2)); }
输出:
Distance between Point(3, 0) and Point(0, 4) is 5.
输出要与使用#[derive(Debug)]时一样,只要修改write宏的第2个参数,如:
impl fmt::Display for Point { fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result { write!(f, "Point {{ x: {}, y: {} }}", self.x, self.y) } }
#[derive(PartialEq)]
使用#[derive(PartialEq)]为结构体自动实现了PartialEq trait。这使得可以直接使用==运算符比较两个结构体实例的相等性。
例1:
#[derive(PartialEq)] struct Point { x: i32, y: i32, } fn main() { let point1 = Point { x: 10, y: 20 }; let point2 = Point { x: 10, y: 20 }; if point1 == point2 { println!("The two points are equal."); } else { println!("The two points are not equal."); } }
输出:
The two points are equal.
例2:
#[derive(Debug, PartialEq)] struct Person { name: String, age: u32, } fn main() { let person1 = Person { name: String::from("Alice"), age: 25, }; let person2 = Person { name: String::from("Bob"), age: 30, }; let person3 = Person { name: String::from("Alice"), age: 25, }; println!("Is {:?} equal to {:?}? {}", person1, person2, person1 == person2); println!("Is {:?} equal to {:?}? {}", person1, person3, person1 == person3); }
输出:
Is Person { name: "Alice", age: 25 } equal to Person { name: "Bob", age: 30 }? false
Is Person { name: "Alice", age: 25 } equal to Person { name: "Alice", age: 25 }? true
#[derive(Default)]
调用#[derive(Default)],相当于创建一个默认的结构体实例,每一个字段都是对应数据类型的默认值,无需手动为每个字段设置默认值。
例1:
#[derive(Default,Debug)] struct Circle { radius: f32, } impl Circle { fn area(&self) -> f32 { let pi = std::f32::consts::PI; pi * self.radius * self.radius } } fn main() { let mut c = Circle::default(); println!("Circular area of {:?} = {}.", c, c.area()); c.radius = 1.0; println!("Circular area of {:?} = {}.", c, c.area()); }
输出:
Circular area of Circle { radius: 0.0 } = 0.
Circular area of Circle { radius: 1.0 } = 3.1415927.
例2:
#[derive(Debug, Default)] struct Student { name: String, age: u32, school: String, major: String, grade: String, state: bool, } fn main() { let mut s1 = Student::default(); println!("{:?}", s1); s1.name = String::from("杨程"); s1.age = 22; s1.school = String::from("东南大学"); s1.major = String::from("土木工程学院"); s1.grade = String::from("大三"); s1.state = true; println!("{:?}", s1); let s2 = Student { age: 23, grade: String::from("大四"), ..s1 //注意这里的结构体更新语法 }; println!("{:?}", s2); }
输出:
Student { name: "", age: 0, school: "", major: "", grade: "", state: false }
Student { name: "杨程", age: 22, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大三", state: true }
Student { name: "杨程", age: 23, school: "东南大学", major: "土木工程学院", grade: "大四", state: true }
此例还有一个rust结构体的特殊用法,当结构体大部分字段需要被设置成与现存的另一个结构体的一样,仅需更改其中的一两个字段的值,可以使用结构体更新语法,在现存的结构体名前加上两个连续的句号:“..Struct_Name”。
#[derive(Clone)]
Clone 在复制过程中对所有字段进行逐个复制,包括所有引用类型和原始类型。这意味着每次进行克隆时,都会创建新的数据副本。
示例:
#[derive(Clone)] struct Person { name: String, age: i32, } fn main() { let mut person1 = Person { name: String::new(), age: 0 }; let mut person2 = person1.clone(); person1.name = "Alice".to_string(); person1.age = 22; println!("Person 1: {}, {}", person1.name, person1.age); println!("Person 2: {}, {}", person2.name, person2.age); person2 = person1.clone(); println!("Person 2: {}, {}", person2.name, person2.age); }
输出:
Person 1: Alice, 22
Person 2: , 0
Person 2: Alice, 22
其他相关内容
模式匹配
结构体可用 模式匹配(Pattern Matching)来解构和访问其字段。
例1:
struct Point { x: i32, y: i32, } fn main() { let p = Point { x: 10, y: 20 }; match p { Point { x, y } => { println!("x:{}, y: {}", x, y); } } }
例2:
struct Time { hour: i32, minute: i32, second: i32, } fn main() { let t = Time { hour: 10, minute: 30, second: 45 }; match t { Time { hour, minute, second } => { print!("The time is {}:", hour); println!("{}:{}", minute, second); } } }
结构体大小
结构体的大小在C/C++中使用运算符 sizeof 来计算;在Rust语言中,则使用标准库中的一个模块std::mem::中的size_of和size_of_val,它提供了与内存管理相关的函数。
1. std::mem::size_of
用于计算给定类型的大小,不接受任何参数。这个函数返回一个给定类型的大小(以字节为单位)。它是一个泛型函数,可以用于任何类型。
示例:
#![allow(dead_code)] struct Point { x: i32, y: i32, } struct Person { name: String, age: i32, height: f32, is_employed: bool, } fn main() { let point = Point { x: 10, y: 20 }; println!("Size of Point: {}", std::mem::size_of::<Point>()); let person = Person { name: "Hann Yang".to_string(), age: 50, height: 1.72, is_employed: true, }; println!("Size of Person: {}", std::mem::size_of::<Person>()); }
输出:
Size of Point: 8
Size of Person: 40
2. std::mem::size_of_val
用于计算给定值的大小,接受一个值作为参数。它用于获取一个值的大小(以字节为单位)。与 size_of 函数不同的是,size_of_val 函数可以用于任何值,而非类型。
示例:
#![allow(dead_code)] struct Point { x: i32, y: i32, } struct Person { name: String, age: i32, height: f32, is_employed: bool, } fn main() { let point = Point { x: 10, y: 20 }; println!("Size of Point: {}", std::mem::size_of_val(&point)); let person = Person { name: "Hann Yang".to_string(), age: 50, height: 1.72, is_employed: true, }; println!("Size of Person: {}", std::mem::size_of_val(&person)); }
输出:
Size of Point: 8
Size of Person: 40
注意:在这两个例子中,计算类型大小和值大小的结果都是相同的,因为这里没有涉及到指针或其他复杂的情况。
本文总结
结构体是Rust中一种重要的数据结构,用于组织不同类型的字段。以下是结构体的重点内容的总结:
- 结构体定义:使用
struct
关键字来定义结构体,结构体可以包含多个字段,每个字段可以有不同的类型。 - 结构体实例:定义一个结构体后,可以使用结构体名称来创建结构体实例,通过
.
运算符来访问结构体字段。 - 结构体分类:结构体可以分为三种类型:单元结构体(
()
)、元组结构体(用逗号分隔的多个字段)和具名结构体(有自定义名称的字段)。 - 结构体嵌套:结构体可以嵌套,用于组织和存储复杂的数据。
- 结构体方法:结构体可以定义方法,用于在结构体上执行操作。结构体方法与关联函数类似,但只能在结构体上调用。
- 关联函数:通过
impl
关键字在结构体上定义关联函数,用于在结构体实例上执行特定操作。关联函数可以是普通函数或方法。 - 自定义打印宏:使用
derive(Debug)]
来自动实现fmt::Debug
trait,实现自定义的打印输出格式。 - 其他相关内容:结构体可以通过
derive
属性来自动实现其他trait,如PartialEq
(部分相等性)、Default
(默认值)和Clone
(克隆)。 - 结构体大小:在Rust中,结构体的内存大小是固定的,可以在定义时指定大小,也可以使用
#[repr(C)]
来指定大小和布局。 - 模式匹配:可以使用模式匹配来访问和匹配结构体的字段,这使得在编写代码时更加灵活和方便。
总的来说,结构体是Rust中非常强大和灵活的数据结构,可以用于组织和操作各种类型的数据。通过使用结构体、方法、关联函数和其他相关特性,可以轻松地实现复杂的数据结构和算法。
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