Generische Typen, Merkmale (traits) und Lebensdauer

Jede Programmiersprache verfügt über Werkzeuge, mit denen die Duplizierung von Konzepten (duplication of concepts) effektiv gehandhabt werden kann. In Rust ist ein solches Werkzeug der generische Datentyp (generics): Abstrakte Stellvertreter für konkrete Typen oder andere Eigenschaften. Wir können das Verhalten generischer Datentypen oder ihre Beziehung zu anderen generischen Datentypen ausdrücken, ohne zu wissen, was an ihrer Stelle beim Kompilieren und Ausführen des Codes stehen wird.

Funktionen können Parameter eines generischen Typs anstelle eines konkreten Typs wie i32 oder String annehmen, so wie sie Parameter mit unbekannten Werten annehmen, um denselben Code auf mehrere konkrete Werte anzuwenden. Tatsächlich haben wir generische Datentypen bereits in Kapitel 6 mit Option<T>, in Kapitel 8 mit Vec<T> und HashMap<K, V> und in Kapitel 9 mit Result<T, E> verwendet. In diesem Kapitel erfährst du, wie du deine eigenen Typen, Funktionen und Methoden mit generischen Datentypen definieren kannst!

Zunächst werden wir uns anschauen, wie eine Funktion extrahiert werden kann, um Code-Duplizierung zu reduzieren. Danach verwenden wir dieselbe Technik, um aus zwei Funktionen, die sich nur im Datentyp ihrer Parameter unterscheiden, eine generische Funktion zu machen. Wir werden auch erklären, wie generische Typen in Struktur- (struct) und Aufzählungsdefinitionen (enum) verwendet werden können.

Dann wirst du lernen, wie man Merkmale (traits) verwendet, um Verhalten auf generische Weise zu definieren. Du kannst Merkmale mit generischen Typen kombinieren, um einen generischen Typ auf solche Typen einzuschränken, die ein bestimmtes Verhalten aufweisen, im Gegensatz zu einem beliebigen Typ.

Schließlich werden wir die Lebensdauer (lifetimes) besprechen: Eine Spielart generischer Typen, die dem Compiler Informationen darüber gibt, wie Referenzen zueinander in Beziehung stehen. Lebensdauern ermöglichen es uns, dem Compiler genügend Informationen über ausgeliehene Werte zu geben, sodass er sicherstellen kann, dass Referenzen in mehr Situationen gültig sind, als er es ohne unsere Hilfe könnte.

Duplikate entfernen durch Extrahieren einer Funktion

Mit Hilfe von generischen Typen können wir spezifische Typen durch einen Platzhalter ersetzen, der mehrere Typen repräsentiert, um Code-Duplizierung zu vermeiden. Bevor wir uns mit der generischen Syntax befassen, wollen wir uns ansehen, wie man Duplikate auf eine Weise entfernt, die keine generischen Typen erfordert, indem man eine Funktion extrahiert, die spezifische Werte durch einen Platzhalter ersetzt, der mehrere Werte repräsentiert. Dann wenden wir die gleiche Technik an, um eine generische Funktion zu extrahieren! Wenn du dir ansiehst, wie du doppelten Code erkennst, den du in eine Funktion extrahieren kannst, wirst du beginnen, doppelten Code zu erkennen, der generische Typen verwenden kann.

Wir werden mit dem kurzen Programm in Codeblock 10-1 beginnen, das die größte Zahl in einer Liste findet.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("Die größte Zahl ist {largest}");
    assert_eq!(*largest, 100);
}

Codeblock 10-1: Finden der größten Zahl in einer Liste von Zahlen

Wir speichern eine Liste von ganzen Zahlen in der Variablen number_list und weisen eine Referenz der ersten Zahl der Liste einer Variablen namens largest zu. Dann iterieren wir über alle Zahlen in der Liste und wenn die aktuelle Zahl größer als die in largest gespeicherte Zahl ist, ersetzen wir die Referenz in dieser Variablen. Wenn die aktuelle Zahl jedoch kleiner oder gleich der größten bisher gefundenen Zahl ist, ändert sich die Variable nicht, und der Code geht zur nächsten Zahl in der Liste weiter. Nach dem Durchlaufen aller Zahlen in der Liste sollte largest auf die größte Zahl referenzieren, in diesem Fall 100.

Wir haben nun die Aufgabe bekommen, die größte Zahl in zwei verschiedenen Zahlenlisten zu finden. Zu diesem Zweck können wir den Code in Codeblock 10-1 duplizieren und dieselbe Logik an zwei verschiedenen Stellen im Programm verwenden, wie in Codeblock 10-2 gezeigt.

Dateiname: src/main.rs

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("Die größte Zahl ist {largest}");

    let number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let mut largest = &number_list[0];

    for number in &number_list {
        if number > largest {
            largest = number;
        }
    }

    println!("Die größte Zahl ist {largest}");
}

Codeblock 10-2: Code zum Auffinden der größten Zahl in zwei Zahlenlisten

Obwohl dieser Code funktioniert, ist das Duplizieren von Code mühsam und fehleranfällig. Außerdem müssen wir daran denken, den Code an mehreren Stellen zu aktualisieren, wenn wir ihn ändern wollen.

Um diese Redundanz zu eliminieren, können wir eine Abstraktion schaffen, indem wir eine Funktion definieren, die auf einer beliebigen Liste ganzer Zahlen operiert, die ihr als Parameter übergeben wird. Diese Lösung macht unseren Code klarer und lässt uns das Konzept, die größte Zahl in einer Liste zu finden, abstrakter ausdrücken.

In Codeblock 10-3 extrahieren wir den Code, der die größte Zahl findet, in eine Funktion namens largest. Dann rufen wir die Funktion auf, um die größte Zahl in den beiden Listen aus Codeblock 10-2 zu finden. Wir könnten die Funktion auch auf jede andere Liste von i32-Werten anwenden, die wir in Zukunft haben könnten.

Dateiname: src/main.rs

fn largest(list: &[i32]) -> &i32 {
    let mut largest = &list[0];

    for item in list {
        if item > largest {
            largest = item;
        }
    }

    largest
}

fn main() {
    let number_list = vec![34, 50, 25, 100, 65];

    let result = largest(&number_list);
    println!("Die größte Zahl ist {result}");
    assert_eq!(*result, 100);

    let number_list = vec![102, 34, 6000, 89, 54, 2, 43, 8];

    let result = largest(&number_list);
    println!("Die größte Zahl ist {result}");
    assert_eq!(*result, 6000);
}

Codeblock 10-3: Abstrahierter Code, um die größte Zahl in zwei Listen zu finden

Die Funktion largest hat einen Parameter list, der einen beliebigen Anteilstyp von i32-Werten repräsentiert, die wir an die Funktion übergeben könnten. Wenn wir die Funktion aufrufen, läuft der Code also auf den spezifischen Werten, die wir übergeben.

Zusammenfassend hier die Schritte, die wir unternommen haben, um den Code aus Codeblock 10-2 in Codeblock 10-3 zu überführen:

1. Identifiziere doppelten Code.
2. Extrahiere den doppelten Code in den Funktionskörper und spezifiziere die Eingabe- und Rückgabewerte dieses Codes in der Funktionssignatur.
3. Aktualisiere die beiden Instanzen des doppelten Codes, um stattdessen die Funktion aufzurufen.

Als Nächstes werden wir dieselben Schritte auf generische Datentypen anwenden, um doppelten Code zu reduzieren. Ähnlich wie der Funktionsrumpf auf einer abstrakten Liste anstelle spezifischer Werte arbeiten kann, erlauben es generische Datentypen, auf abstrakten Typen zu arbeiten.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir hätten zwei Funktionen: Eine, die das größte Element in einem Anteilstyp mit i32-Werten findet, und eine, die das größte Element in einem Anteilstyp mit char-Werten findet. Wie würden wir diese Duplizierung beseitigen? Lass es uns herausfinden!