Die Programmiersprache Rust

Charakteristiken objektorientierter Sprachen

Es gibt in der Programmierergemeinschaft keinen Konsens darüber, welche Funktionalitäten eine Sprache haben muss, um als objektorientiert zu gelten. Rust wird von vielen Programmierparadigmen beeinflusst, einschließlich OOP; zum Beispiel haben wir in Kapitel 13 die Funktionalitäten untersucht, die aus der funktionalen Programmierung stammen. Die OOP-Sprachen haben wohl bestimmte gemeinsame Charakteristiken, nämlich Objekte, Kapselung (encapsulation) und Vererbung (inheritance). Schauen wir uns an, was jedes dieser Charakteristiken bedeutet und ob Rust es unterstützt.

Objekte enthalten Daten und Verhalten

Das Buch Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software von Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson und John Vlissides (Addison-Wesley Professional, 1994), umgangssprachlich als The Gang of Four-Buch bezeichnet, ist ein Katalog von objektorientierten Entwurfsmustern. Es definiert OOP auf diese Weise:

Objektorientierte Programme setzen sich aus Objekten zusammen. Ein Objekt verpackt sowohl Daten als auch Prozeduren, die auf diesen Daten operieren. Die Prozeduren werden normalerweise Methoden oder Operationen genannt.

Mit dieser Definition ist Rust objektorientiert: Strukturen (structs) und Aufzählungen (enums) haben Daten, und impl-Blöcke stellen Methoden auf Strukturen und Aufzählungen zur Verfügung. Auch wenn Strukturen und Aufzählungen mit Methoden keine aufgerufenen Objekte sind, bieten sie dieselbe Funktionalität gemäß der Definition von Objekten der Gang of Four.

Kapselung, die Implementierungsdetails verbirgt

Ein weiterer Aspekt, der gemeinhin mit OOP in Verbindung gebracht wird, ist die Idee der Kapselung (encapsulation), was bedeutet, dass die Implementierungsdetails eines Objekts nicht zugänglich sind für Code, der dieses Objekt verwendet. Daher ist die einzige Möglichkeit, mit einem Objekt zu interagieren, seine öffentliche API; Code, der das Objekt verwendet, sollte nicht in der Lage sein, in die Interna des Objekts einzudringen und Daten oder Verhalten direkt zu ändern. Dies ermöglicht es dem Programmierer, die Interna eines Objekts zu ändern und umzugestalten, ohne Code ändern zu müssen, der das Objekt verwendet.

Wie man die Kapselung steuert, haben wir in Kapitel 7 besprochen: Wir können das Schlüsselwort pub benutzen, um zu entscheiden, welche Module, Typen, Funktionen und Methoden in unserem Code öffentlich sein sollen, alles andere ist standardmäßig privat. Zum Beispiel können wir eine Struktur AveragedCollection definieren, die ein Feld hat, das einen Vektor mit i32-Werten enthält. Die Struktur kann auch ein Feld haben, das den Mittelwert der Werte im Vektor enthält, was bedeutet, dass der Mittelwert nicht auf Anfrage berechnet werden muss, wenn jemand ihn braucht. Mit anderen Worten: AveragedCollection wird den errechneten Durchschnitt für uns zwischenspeichern. Codeblock 17-1 zeigt die Definition der Struktur AveragedCollection:

Dateiname: src/lib.rs

#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}
}

Codeblock 17-1: Eine Struktur AveragedCollection, die eine Liste von ganzen Zahlen und den Durchschnitt der Elemente in der Kollektion verwaltet

Die Struktur wird als pub markiert, damit anderer Code sie verwenden kann, aber die Felder innerhalb der Struktur bleiben privat. Dies ist in diesem Fall wichtig, weil wir sicherstellen wollen, dass immer dann, wenn ein Wert hinzugefügt oder aus der Liste entfernt wird, auch der Durchschnitt aktualisiert wird. Wir tun dies, indem wir die Methoden add, remove und average auf der Struktur implementieren, wie in Codeblock 17-2 gezeigt:

Dateiname: src/lib.rs

#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct AveragedCollection {
    list: Vec<i32>,
    average: f64,
}

impl AveragedCollection {
    pub fn add(&mut self, value: i32) {
        self.list.push(value);
        self.update_average();
    }

    pub fn remove(&mut self) -> Option<i32> {
        let result = self.list.pop();
        match result {
            Some(value) => {
                self.update_average();
                Some(value)
            }
            None => None,
        }
    }

    pub fn average(&self) -> f64 {
        self.average
    }

    fn update_average(&mut self) {
        let total: i32 = self.list.iter().sum();
        self.average = total as f64 / self.list.len() as f64;
    }
}
}

Codeblock 17-2: Implementierungen der öffentlichen Methoden add, remove und average auf AveragedCollection

Die öffentlichen Methoden add, remove und average sind die einzigen Möglichkeiten, auf Daten in einer AveragedCollection-Instanz zuzugreifen oder sie zu ändern. Wenn ein Eintrag mit der Methode add zu list hinzugefügt oder mit der Methode remove entfernt wird, rufen die Implementierungen der einzelnen Methoden die private Methode update_average auf, die auch das Aktualisieren des Feldes average übernimmt.

Wir lassen die Felder list und average privat, sodass es keine Möglichkeit für externen Code gibt, Elemente direkt zum Feld list hinzuzufügen oder zu entfernen; andernfalls könnte das Feld average inkonsistent werden, wenn sich list ändert. Die Methode average gibt den Wert im Feld average zurück, sodass externer Code den Wert average lesen, aber nicht verändern kann.

Da wir die Implementierungsdetails der Struktur AveragedCollection gekapselt haben, können wir Aspekte, z.B. die Datenstruktur, in Zukunft leicht ändern. Zum Beispiel könnten wir ein HashSet<i32> anstelle eines Vec<i32> für das list-Feld verwenden. Solange die Signaturen der öffentlichen Methoden add, remove und average gleich bleiben, würde Code, der AveragedCollection verwendet, nicht geändert werden müssen. Wenn wir stattdessen list öffentlich machen würden, wäre dies nicht unbedingt der Fall: HashSet<i32> und Vec<i32> haben unterschiedliche Methoden zum Hinzufügen und Entfernen von Elementen, sodass externer Code wahrscheinlich geändert werden müsste, wenn er list direkt modifizieren würde.

Wenn die Kapselung ein erforderlicher Aspekt ist, damit eine Sprache als objektorientiert betrachtet werden kann, dann erfüllt Rust diese Anforderung. Die Möglichkeit, pub für verschiedene Teile des Codes zu verwenden oder auch nicht, ermöglicht die Kapselung von Implementierungsdetails.

Vererbung als Typsystem und für gemeinsamen Code

Vererbung ist ein Mechanismus, mit dem ein Objekt Elemente von der Definition eines anderen Objekts erben kann und so die Daten und das Verhalten des übergeordneten Objekts erhält, ohne dass du diese erneut definieren musst.

Wenn eine Sprache Vererbung haben muss, um eine objektorientierte Sprache zu sein, dann ist Rust keine solche. Es gibt keine Möglichkeit, eine Struktur zu definieren, die die Felder und Methodenimplementierungen der Elternstruktur erbt, ohne ein Makro zu benutzen.

Wenn du jedoch daran gewöhnt bist, Vererbung in deinem Programmierwerkzeugkasten zu haben, kannst du in Rust andere Lösungen verwenden, je nachdem, warum du überhaupt zu Vererbung gegriffen hast.

Du würdest dich aus zwei Hauptgründen für die Vererbung entscheiden. Einer ist die Wiederverwendung von Code: Du kannst ein bestimmtes Verhalten für einen Typ implementieren und die Vererbung ermöglicht es dir, diese Implementierung für einen anderen Typ wiederzuverwenden. Du kannst das auf begrenzte Weise in Rust-Code unter Verwendung von Standard-Merkmalsmethoden-Implementierungen tun, was du in Codeblock 10-14 gesehen hast, als wir eine Standard-Implementierung der Methode summarize für das Merkmal (trait) Summary hinzugefügt haben. Jeder Typ, der das Merkmal Summary implementiert, hätte die Methode summarize ohne weiteren Code darauf zur Verfügung. Dies ist vergleichbar mit einer Elternklasse, die eine Implementierung einer Methode hat, und einer erbenden Kindklasse, die ebenfalls die Implementierung der Methode hat. Wir können auch die Standard-Implementierung der Methode summarize außer Kraft setzen, wenn wir das Markmal Summary implementieren, die einer Kindklasse ähnelt, die die Implementierung einer von einer Elternklasse geerbten Methode außer Kraft setzt.

Der andere Grund, Vererbung zu verwenden, bezieht sich auf das Typsystem: Ein untergeordneter Typ soll an den gleichen Stellen wie der übergeordnete Typ verwendet werden können. Dies wird auch Polymorphismus (polymorphism) genannt, d.h. du kannst mehrere Objekte zur Laufzeit gegeneinander austauschen, wenn sie bestimmte Eigenschaften gemeinsam haben.

Polymorphismus

Für viele Menschen ist Polymorphismus gleichbedeutend mit Vererbung. Aber es ist eigentlich ein allgemeinerer Begriff, der sich auf Code bezieht, der mit Daten unterschiedlichen Typs arbeiten kann. Für die Vererbung sind diese Typen im Allgemeinen Unterklassen.

Rust verwendet stattdessen generische Datentypen (generics), um über verschiedene mögliche Typen und Merkmalsabgrenzungen (trait bounds) zu abstrahieren, um Beschränkungen für das aufzuerlegen, was diese Typen bieten müssen. Dies wird manchmal als begrenzter parametrischer Polymorphismus (bounded parametric polymorphism) bezeichnet.

Die Vererbung ist in letzter Zeit als Lösung für das Programmierdesign in vielen Programmiersprachen in Ungnade gefallen, da sie oft das Risiko birgt, mehr Code als nötig zu teilen. Unterklassen sollten nicht immer alle Charakteristiken ihrer Elternklasse teilen, bei Vererbung tun sie es aber. Dies kann den Programmentwurf weniger flexibel machen. Es wird auch die Möglichkeit eingeführt, Methoden auf Unterklassen aufzurufen, die keinen Sinn machen oder die Fehler verursachen, weil die Methoden nicht auf die Unterklasse zutreffen. Darüber hinaus lassen einige Sprachen nur Einfachvererbung zu (d.h. eine Unterklasse kann nur von einer Klasse erben), was die Flexibilität des Programmdesigns weiter einschränkt.

Aus diesen Gründen verfolgt Rust den anderen Ansatz durch Verwendung von Merkmalsobjekten (trait objects) anstelle der Vererbung. Schauen wir uns an, wie Merkmalsobjekte Polymorphismus in Rust ermöglichen.