30天拿下Rust之枚举

概述

Rust中的枚举是一种用户定义的类型，它允许你为一组相关的值赋予友好的名称。在Rust中，枚举是强大的工具，它们不仅仅用于表示几个固定的值，还可以包含函数和方法，使得枚举成员可以有自己的行为。通过与模式匹配和其他Rust特性结合使用，枚举在构建健壮、无崩溃的应用程序中发挥了重要作用，并可大幅提高代码的可读性、可维护性和类型安全性。

基础枚举

在Rust中，枚举通过关键字enum进行声明，它可以包含一组相关的命名常量。比如：我们可以定义一个枚举来表示一周的几天。

enum Day {
    Monday,
    Tuesday,
    Wednesday,
    Thursday,
    Friday,
    Saturday,
    Sunday,
}

定义好枚举后，我们可以像下面这样使用枚举值。

let cur_day = Day::Wednesday;

关联枚举

Rust中的枚举还可以带有关联值，这使得枚举成员可以有不同的数据类型。比如：我们可以定义一个表示结果的枚举，其中一个成员包含整数值，另一个成员则包含字符串值。

enum Result {
    Ok(i32),
    Err(String),
}

fn main() {
    let success = Result::Ok(66);
    let failure = Result::Err(String::from("failed"));
}

在上面的示例代码中，Result::Ok有一个i32类型的关联值，Result::Err有一个String类型的关联值。
另外，我们还可以为枚举中的属性命名，类似于结构体的语法。但请特别注意：枚举并不能像访问结构体字段那样访问枚举绑定的属性，访问的方法可参考下面的匹配枚举。

enum Shape {
    Point {x: i32, y: i32},
    Rectangle {width: i32, height: i32},
    Circle(i32),
}

fn main() {
    let point = Shape::Point{x: 66, y: 88};
    let rect = Shape::Rectangle{width: 10, height: 20};
    let circle = Shape::Circle(100);
}

匹配枚举

使用match表达式，可以很方便地处理枚举类型的值。Rust强制要求枚举的所有可能变体在match表达式中都被考虑到，以避免未处理的枚举导致的运行时错误。

enum Direction {
    Up(u32),
    Down(i32),
    Left(String),
    Right(String),
}

fn main() {
    let direction = Direction::Up(66);
    match direction {
        Direction::Up(value) => println!("turn up by {}", value),
        Direction::Down(value) => println!("turn down by {}", value),
        Direction::Left(text) => println!("turn left to {}", text),
        Direction::Right(text) => println!("turn right to {}", text),
    }
}

match表达式也可以当作函数表达式来对待，它是可以有返回值的。但有一点需要注意：所有返回值表达式的类型必须一样。

enum Direction {
    Up(u32),
    Down(i32),
    Left(String),
    Right(String),
}

fn convert(direction: Direction) -> u32 {
    match direction {
        Direction::Up(value) => 100,
        Direction::Down(value) => 200,
        Direction::Left(text) => 300,
        Direction::Right(text) => 400,
    }
}

fn main() {
    let value = convert(Direction::Down(99));
    println!("{}", value);
}

在match表达式中，还可以使用通配符，用于对一些特定的值采取特殊操作，而对其他的值采取默认操作。在下面的示例代码中，我们对88和99采取了特殊操作，但对其他值采取了统一的默认处理。

fn main() {
    let value = 66;
    match value {
        88 => println!("conditon 88"),
        99 => println!("conditon 99"),
        other => println!("other conditon {}", other),
    }
}

注意：我们必须将通配分支放在最后，因为模式是按顺序匹配的。如果我们在通配分支后再添加其他分支，Rust在编译时会警告我们“unreachable pattern”，因为此后的分支永远不会被匹配到。
另外，Rust还提供了一种模式：当我们不想使用通配模式获取的值时，可以使用占位符_。这是一种特殊的模式，可以匹配任意值而不绑定到该值。占位符会告诉Rust，我们不会使用这个值，因此Rust也不会警告我们存在未使用的变量。

fn main() {
    let value = 66;
    match value {
        88 => println!("conditon 88"),
        99 => println!("conditon 99"),
        _ => println!("other conditons"),
    }
}

可以看到，对于只有两种匹配情况的场景来说，match显得比较繁琐，必须使用通配符或占位符。为此，Rust提供了语法糖if let，用于简化代码。可以在if let中包含一个else，else块中的代码与match表达式中占位符分支块中的代码相同。

fn main() {
    let value = 66;
    if let 66 = value {
        println!("conditon 66");
    } else {
        println!("other conditons");
    }
}

使用if let，意味着编写更少的代码，但这会失去match强制要求的穷尽性检查（因为else是可选的）。到底该使用match还是if let，取决于我们对增加简洁度和失去穷尽性检查之间的权衡取舍。

Option枚举

Rust中的Option类型是一种枚举，它是Rust语言的核心特性之一，用于处理值可能存在的状态。在许多其他编程语言中，这种场景可能会使用null、None或其他表示空或缺失的特殊值来处理，但这些通常会导致潜在的空引用错误。而Rust通过设计Option<T>类型，强制开发者在编译时就必须考虑值可能不存在的情况，从而保证了运行时的安全性。
Option类型的定义如下：

pub enum Option<T> {
    None,
    Some(T),
}

Option<T>中，T是一个泛型参数，代表了当值存在时的具体类型。这意味着，Option可以包裹任何类型的值。比如：Option<i32>表示可能包含一个整数值，或者没有值。
Option类型提供的主要方法如下。
unwrap(): 如果Option是Some(value)，则返回该value；如果Option是None，则触发异常。这主要用于开发阶段调试和确定程序逻辑正确的地方，不推荐在生产代码中滥用，因为它会直接终止程序执行。
expect(msg): 类似于unwrap(), 但在触发异常时，提供了一个自定义的消息。
is_none(): 返回一个布尔值，表示Option是否为None。
is_some(): 返回一个布尔值，表示Option是否有值。
ok_or(err): 将Option转换成Result，若为Some则映射到Ok(_)，若为None则映射到Err(err)。
map(f): 如果Option是Some(T)，应用函数f给T并返回一个新的Option<T'>(T'是f作用后的新类型)。如果Option是None，则返回None。
and_then(f): 类似于map()，但是f必须返回一个Option<T'>，它将链式调用并保持Option的状态。
unwrap_or(default): 如果Option是Some，则返回其中的值。否则，返回提供的默认值。
unwrap_or_else(f): 类似于unwrap_or()，但当Option为None时，调用函数f生成默认值。
Option类型的具体使用方法，可参考下面的示例代码。

fn divide(a: i32, b: i32) -> Option<i32> {
    if b == 0 {
        None
    } else {
        Some(a / b)
    }
}

fn main() {
    let result = divide(10, 2);
    match result {
        Some(value) => println!("result is: {}", value),
        None => println!("can't be zero"),
    }

    // 当除数非零时，得到结果；否则，返回-1。
    let value = divide(10, 0).unwrap_or(-1);
    println!("value is: {}", value);

    // 使用map进行链式操作，输出: Some(10)
    let number = Some(5);
    let number2 = number.map(|n| n * 2);
    println!("number2 is: {:?}", number2);
}

Option类型在Rust中有着广泛的应用场景，可以用于初始化值、作为函数的返回值、表示简单错误、作为结构体的可选字段等。通过使用Option，我们可以更加明确地处理可能为空的情况，从而避免许多由于空值引起的运行时错误。这也是Rust语言相对于C/C++等语言的一大明显优势。

枚举绑定方法

与结构体类似，Rust的枚举还允许你在枚举成员上定义函数和方法。比如：我们可以给上面的Result枚举添加一个describe方法。

enum Result {
    Ok(i32),
    Err(String),
}

impl Result {
    fn describe(&self) -> &str {
        match self {
            Result::Ok(_) => "Operation was successful",
            Result::Err(_) => "Operation failed",
        }
    }
}

fn main() {
    let success = Result::Ok(42);
    let failure = Result::Err(String::from("something went wrong"));

    println!("{}", success.describe());
    println!("{}", failure.describe()); 
}

总结

Rust的枚举提供了一种安全且灵活的方式来处理多种可能的状态和值，使用枚举的优点主要有以下几点。
1、代码清晰性：使用枚举可以使代码更具可读性和可维护性，因为它们为可能的值提供了明确的名称。
2、类型安全：枚举是强类型的，这意味着不能将错误的类型分配给枚举值。
3、灵活性：枚举可以包含关联值，这使得它们能够表示更复杂的数据结构。
4、扩展性：可以在任何时候向枚举添加新的成员，而不会破坏现有的代码。
总之，理解和熟练运用枚举，能够使我们在Rust编程过程中设计出更为简洁、优雅的代码结构。