30天拿下Rust之箱、包和模块

概述

Rust语言使用模块系统来组织工程和代码。模块系统允许我们将相关的函数、类型、常量等组织在一起，形成一个逻辑上的单元。通过模块系统，我们可以隐藏实现细节，只暴露必要的接口，从而提高代码的可读性和可维护性。Rust的模块系统还支持路径依赖和重导出等功能，使得代码的组织更加灵活和方便。
Rust的模块系统中有三个非常重要的概念，分别是：箱（Crate）、包（Package）和模块（Module），下面逐一进行介绍。

箱（Crate）

箱，英文为Crate，是Rust中的编译单元和构建单元，也是Cargo打包和分发的基本单位。Crate可以是库（library crate），也可以是二进制程序（binary crate）。库crate包含了可以被其他crate使用的代码，二进制crate则包含了可以执行的程序。每个crate都有一个crate root，它是编译器开始构建crate模块树的源文件。对于库crate，crate root通常是src/lib.rs文件；对于二进制crate，crate root通常是src/main.rs文件。
通过crate，我们可以将代码进一步拆分成更小的、更易于管理和维护的单元。当在Cargo中创建一个新的项目时，实际上就是在创建一个Crate。通过cargo new my_crate命令，Cargo将为我们初始化一个新的Crate结构，其中包括：源码目录、测试文件、Cargo.toml配置文件等。在Rust中，Crate是编译时的概念，它指代的是编译后生成的一个单元，可以是一个库或者一个可执行程序。

包（Package）

包，英文为Package，是Cargo用于组织和构建代码的基本单位。每个Rust项目都包含至少一个Package，并通过名为Cargo.toml的配置文件来描述其属性和依赖关系。Package的元数据存储在Cargo.toml文件中，这个文件包含了关于Package的基本信息，比如：名称、版本、作者、描述、许可证等。另外，Cargo.toml还列出了Package的依赖项，这些依赖项是其他Packages或Crates，它们会被Cargo自动下载和构建。

Package通常包含源码目录，包括但不限于src目录下的main.rs或lib.rs。如果项目更复杂，还可以有多个模块文件和子模块文件夹。一个Package可以包含一个或多个Crates，但通常情况下，一个简单的Package会对应一个单一的Crate。当通过cargo build命令构建项目时，最终输出的二进制文件或库文件就是这个Crate。

模块（Module）

模块，英文为Module，是用于在crate内部进行分层和封装的机制。模块内部又可以包含模块，从而形成一个树形结构，也称为模块树。每个crate会自动产生一个与当前crate同名的模块，作为这个树形结构的根节点。模块是元素（比如：函数、结构体、trait等）的集合，是一种抽象的概念，而文件则是承载这个概念的实体。
在Rust中，创建新模块主要有以下三种方式。
1、在一个文件中创建内嵌模块。这可以通过直接使用mod关键字来实现，模块的内容会被包含在大括号内部。
2、独立的一个文件就是一个模块，文件名即是模块名。
3、一个文件夹也可以代表一个模块。在这种情况下，有两种方法可以实现：
（1）文件夹内部需要有一个名为mod.rs的文件，这个文件就是这个模块的入口。在rustc 1.30版本之前，这是唯一的方法。
（2）在文件夹同级目录里创建一个与模块（文件夹）同名的rs文件。在rustc 1.30版本之后，更建议使用这样的命名方式，以避免项目中存在大量同名的mod.rs文件。

模块树

模块树是一个逻辑上的分层结构，它反映了源代码文件的组织方式。每个Rust项目都可以看作一个模块树的根，其中包含零个或多个子模块。每个模块可以进一步包含其他的子模块，从而形成嵌套的层次结构。
在下面的示例模块树中，lib.rs是crate的根模块，shapes和math是它的子模块。circle和rectangle是shapes的子模块，algebra和geometry是math的子模块。shapes之所以是模块，是因为shapes文件夹下有一个mod.rs文件。math之所以是模块，是因为math同级目录下有一个同名的math.rs文件。在后面内容的介绍当中，我们也会用到这里的示例模块树。

project/
├── src/
│   ├── lib.rs             // crate根模块
│   ├── shapes/
│   │   ├── mod.rs         // shapes模块
│   │   ├── circle.rs
│   │   └── rectangle.rs
│   ├── math/
│   │   ├── algebra.rs
│   │   └── geometry.rs
│   └── math.rs           // math模块

模块路径

在Rust中，模块路径是用于唯一标识模块中定义的元素（比如：函数、结构体等）的字符串。模块路径由一系列由双冒号（::）分隔的标识符组成，从crate根开始，一直到指定的项，可以是绝对路径或相对路径。
绝对路径：以crate::开始，表示从crate根开始的完整路径。在下面的示例代码中，crate::shapes::circle::Area表示从crate根开始的shapes子模块、circle子目录的Area函数。

use crate::shapes::circle::Area;

相对路径：直接使用模块名称表示同级模块，或者相对于当前模块的子模块。有两个特殊的标识需要记住，self::表示当前模块，super::表示当前模块的父模块。

// 在shapes/mod.rs中引用circle.rs中的内容
use self::circle::Area;

// 在circle.rs中引用shapes/mod.rs中定义的公共常量DEFAULT_RADIUS
use super::DEFAULT_RADIUS;

// 在同一目录下引用rectangle模块
use rectangle::Rectangle;

访问权限

在Rust中，访问权限是通过pub关键字来控制的。默认情况下，如果不加修饰符，模块中的成员访问权将是私有的。这意味着，它们只能在定义它们的模块内部被访问。如果想让其他模块能够访问某个成员，就需要在该模块和该成员前加上pub关键字来声明其为公开的。
访问权限主要有两种：一种是模块级的访问权限，另一种是成员级别的访问权限。
1、模块级的访问权限。公开模块可以在任何地方被访问，只要我们知道正确的路径。私有模块只能在与其平级的位置，或下级的位置被访问。也就是说，如果一个模块是私有的，那么只有在其同级模块或子模块中才能引用它。
2、成员级别的访问权限。使用pub关键字标记的成员是公开的，可以在其他模块中通过路径来访问。没有使用pub关键字标记的成员是私有的，只能在定义它们的模块内部访问。

// 公开模块
pub mod public_module {
    // 公开函数，可以在其他模块中访问
    pub fn public_function() {
    }
  
    // 私有函数，只能在本模块内部访问
    fn private_function() {
    }
}

// 私有模块
mod private_module {
    // 这个模块是私有的，不能在其他模块中直接访问
    fn private_function() {
    }
}

fn main() {
    public_module::public_function();
}

除此之外，Rust还提供了更细粒度的访问控制，允许我们指定一个成员仅在crate内部可见，或者仅在特定的模块及其子模块中可见。pub(crate)表示该成员在当前crate的任何地方都可见，但在外部crate中不可见。pub(in module)表示该成员在指定的模块及其子模块中可见，在其他模块不可见。

// 函数仅在当前crate内可见
pub(crate) fn crate_function() {
}

// 公开模块
pub mod my_module {
    // 函数仅在当前模块及其子模块中可见
    pub(in crate::my_module) fn module_function() {
    }

    pub fn public_function() {
        // 可以调用crate_function
        crate::crate_function();

        // 可以调用module_function
        module_function();
    }
}
  
// 另一个模块
mod another_module {
    pub fn another_function() {
        crate::crate_function();
        // 下面的代码会提示编译错误：function `module_function` is private
        super::my_module::module_function();
    }
}

fn main() {
    crate_function();
}

如果模块中定义了结构体，那么结构体本身以及它的字段默认都是私有的。如果希望结构体的某个字段能够被外部访问，则需要在结构体和该字段前均加上pub关键字。枚举类型则不同，只需要在枚举类型前加上pub关键字，而不需要在枚举成员前加上pub关键字。

使用use

use关键字用于导入模块或库中的元素（比如：函数、结构体等），以便在当前作用域中使用它们而无需使用完全限定的名称。use语句通常放在文件的顶部，紧接在模块声明之后。
use关键字的使用方式主要以下几种。
1、导入整个模块。可以使用use来导入整个模块，这样我们就可以直接使用该模块中公开的成员。

// 导入std模块中的vec模块
use std::vec;

fn main() {
    // 直接使用vec!宏
    let value = vec![1, 2, 3];
    println!("{:?}", value);
}

2、导入特定项。可以使用use来导入模块中的特定项，而不是整个模块。

// 只导入HashMap
use std::collections::HashMap;

3、重命名导入的项。如果导入的元素在当前作用域中已经存在同名项，或者想要使用不同的名称来引用它，我们可以使用as关键字来重命名。

// 重命名HashMap为：MyMap
use std::collections::HashMap as MyMap;

4、使用通配符导入。使用*可以导入模块中所有公开的成员，但需要注意的是，过度使用通配符导入可能会导致名称冲突和不可预见的行为，因此通常建议明确导入你需要的元素。

// 导入std::collections模块中的所有公开成员
use std::collections::*;

5、多个use语句可以组合在一起，以提高便捷性和可读性。

use std::{
    fs::File,
    io::{self, Write},
};

总结

Rust的模块系统是其代码组织管理的核心部分，它提供了一种方式来封装和组织代码，控制作用域和路径的私有性，以及导出公共接口。模块系统使得开发者能够构建大型、复杂的应用程序，同时保持代码的清晰性和可维护性。

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