Rust 程式設計教學:物件導向 (Object-Oriented Programming)

PUBLISHED ON AUG 29, 2017 — PROGRAMMING

物件導向程式設計 (OOP, object-oriented programming) 是一種程式設計的模式 (paradigm)。由於物件導向是近代軟體開發的主流方法,許多程式語言從語法機制可直接支援,即使像是 C 這種視為非物件導向的語言,也可以用其他語法機制達到類似的效果。 本章會先介紹一般性的物件導向的概念,再介紹如何以 Rust 實作。

物件導向概論

很多語言都直接在語法機制中支援物件導向,然而,每個語言支援的物件導向特性略有不同,像 C++ 的物件系統相當完整,而 Perl 的原生物件系統則相對原始。物件導向在理論上是和語言無關的程式設計模式,但在實務上卻受到語言特性的影響。學習物件導向時,除了學習在某個特定語言下的實作方式外,更應該學習其抽象層次的思維,有時候,暫時放下實作細節,從更高的視角看物件及物件間訊息的流動,對於學習物件導向有相當的幫助。

物件導向是一種將程式碼以更高的層次組織起來的方法。大部分的物件導向以類別 (class) 為基礎,透過類別可產生實際的物件 (object) 或實體 (instance) ,類別和物件就像是餅乾模子和餅乾的關係,透過同一個模子可以產生很多片餅乾。物件擁有屬性 (field) 和方法 (method),屬性是其內在狀態,而方法是其外在行為。透過物件,狀態和方法是連動的,比起傳統的程序式程式設計,更容易組織程式碼。

許多物件導向語言支援封裝 (encapsulation),透過封裝,程式設計者可以決定物件的那些部分要對外公開,那些部分僅由內部使用,封裝不僅限於靜態的資料,決定物件應該對外公開的行為也是封裝。當多個物件間互動時,封裝可使得程式碼容易維護,反之,過度暴露物件的內在屬性和細部行為會使得程式碼相互糾結,難以除錯。

物件間可以透過組合 (composition) 再利用程式碼。物件的屬性不一定要是基本型別,也可以是其他物件。組合是透過有… (has-a) 關係建立物件間的關連。例如,汽車物件有引擎物件,而引擎物件本身又有許多的狀態和行為。繼承 (inheritance) 是另一個再利用程式碼的方式,透過繼承,子類別 (child class) 可以再利用父類別 (parent class) 的狀態和行為。繼承是透過是… (is-a) 關係建立物件間的關連。例如,研究生物件是學生物件的特例。然而,過度濫用繼承,容易使程式碼間高度相依,造成程式難以維護。可參考組合勝過繼承 (composition over inheritance) 這個指導原則來設計自己的專案。

透過多型 (polymorphism) 使用物件,不需要在意物件的實作,只需依照其公開介面使用即可。例如,我們想用汽車物件執行開車這項行為,不論使用 Honda 汽車物件或是 Ford 汽車物件,都可以執行開車這項行為,而不需在意不同汽車物件間的實作差異。多型有許多種形式,如:

  • 特定多態 (ad hoc polymorphism):

    • 函數重載 (functional overloading):同名而不同參數型別的方法 (method)
    • 運算子重載 (operator overloading) : 對不同型別的物件使用相同運算子 (operator)
  • 泛型 (generics):對不同型別使用相同實作

  • 子類型 (Subtyping):不同子類別共享相同的公開介面,不同語言有不同的繼承機制

以物件導向實作程式,需要從宏觀的角度來思考,不僅要設計單一物件的公開行為,還有物件間如何互動,以達到良好且易於維護的程式碼結構。除了閱讀本書或其他程式設計的書籍以學習如何實作物件外,可閱讀關於 物件導向分析及設計 (object-oriented analysis and design) 或是設計模式 (design pattern) 的書籍,以增進對物件導向的了解。

類別

在 Rust,以 struct 或 enum 定義可實體化的類別,同時,也定義出一個新的型別。見下例:

然而,只有屬性而沒有方法的類別不太實用,下文會介紹方法。另外,對於不可實體化的抽象類別,使用 trait 來達成;trait 在物件導向及泛型中都相當重要,我們會於後續相關章節中展示其使用方式。

方法

公開方法和私有方法

方法是類別或物件可執行的動作,公開方法 (public method) 可由物件外存取,而私有方法 (private method) 則僅能由物件內存取。以下為實例:

在本程式中,我們用 mod 建立一個非公開的程式區塊,在其中的程式碼,除非用 pub 明確指定該部分的存取為公開的,否則,一律視為私有的,這是 Rust 在安全性上的設計。

實作方法時,用 impl 區塊包住要實作的方法,在 impl 中,若該方法和某個物件相關,第一個參數要加上 & self 或是 &mut self,視可變性而定。對沒有物件導向經驗的讀者來說,self 是一個令人混淆的概念;基本上,self 是一個特殊的變數,代稱物件,將方法加上 self 這個參數,代表該方法和某個物件相關。以本程式來說,self.drive() 代表這個物件呼叫了 drive 方法。對應到主程式中,self 代換為 car 這個實際的物件實體。簡單的原則在於類別是物件的設計圖,而非物件。

在本程式中,對主程式來說,drive 方法是不存在的,如果把 car.run() 改為 car.drive() 則會引發以下錯誤:

由此可知,主程式的確無法存取 drive 方法。

Getters 和 Setters

在先前 Point 的實作,我們直接存取物件的資料,在物件導向中,這不是好的方法。比較好的方法,是將屬性私有化,而用公開方法存取。我們現在建立 Point 類別,這個類別代表 2D 上的點。首先,定義此類別及其屬性:

實作建構子 (constructor) 的部分,建構子是一個特別的函式,用來初始化物件:

new 用來實體化 Point 類別。在物件導向的術語中,稱此特殊方法為建構子;在 Rust,new 只是普通的方法,將 new 改為別的名稱也行,讀者可以將以上程式的 new 改為 create 或別的名稱看看,程式仍能正常運作。不過,一般還是會把實體化物件的方法稱為 new,這是約定俗成的用法。

在我們的建構子中,我們沒有直接將資料指派到物件屬性,而另外用 setter 來指派;雖然在本例中,我們的 setter 沒有特別的行為,但日後我們需要對資料進行篩選或轉換時,只要修改 setter 方法即可,其他部分的程式碼則不受影響。在撰寫物件導向程式時,我們會儘量將修改的幅度降到最小。

接著,實作 getters:

最後,從外部程式使用此類別:

由於本程式將物件屬性和 setter 皆設為私有,對外部程式來說,物件建立後不可修改。在撰寫物件時,除了必要的方法外,儘量不要公開物件的其他部分,將公開行為變為私有的,可能會導致程式無法順利執行,應盡量避免。

帶有方法的 enum

使用 enum 也可以建立具有行為的類別。在以下實例中,我們建立 color model 類別。首先,宣告 Color 類別:

在本例中,我們宣告了 RGB (Red-Green-Blue)、CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Black)、HSL (Hue-Saturation-Lightness) 三種 color model,若有需要,也可以宣告其他的 color model。同一個 Color 物件,在同一時間內只會儲存其中一種 color model,不同 color model 間有公式可以轉換,使用 enum 會比使用數個獨立的 struct 來得適合。

實作 RGB model 的建構子,由於 RGB model 是三個 8 位元非負整數來表示顏色的值,故用 u8 來儲存:

實作 CMYK model 的建構子,由於 CMYK 的值為小於等於一百的百分比,我們額外建立一個私有類別方法來檢查值的正確性:

實作 HSL model 的建構子,在這裡,我們用整數儲存角度,其值為 [0, 360) 的區間。:

實作 RGB color model 的 getter,若物件內部儲存的 color model 是不同類型,則依公式來轉換:

最後,從外部程式呼叫:

在本例中,由 HSL 轉至 RGB 的公式較複雜,這裡不詳細講解,有興趣的讀者可自行查詢電腦圖學相關資料。

解構子

若要實作 Rust 類別的解構子 (destructor),實作 Drop trait 即可。由於 Rust 會自動管理資源,純 Rust 實作的類別通常不需要實作解構子,但有時仍需要實作 Drop trait,像是用到 C 語言函式配置記憶體,則需明確於解構子中釋放記憶體。本書將於後續章節展示 Drop trait 的實作。

多型

Rust 使用 trait 來實作多型;透過 trait,Rust 程式可像動態語言般使用不同類別。我們用一個實際的範例來說明。

首先,用 trait 設立共有的公開方法:

接著,建立三個不同的汽車類別,這三個類別各自實作 Drive trait:

最後,透過多型的機制由外部程式呼叫這三個類別:

在本例中,ToyotaHondaFord 三個類別實質上是各自獨立的,透過 Drive trait,達成多型的效果,從外部程式的角度來說,這三個物件視為同一個型別,擁有相同的行為。由於 trait 無法直接實體化,必需藉助 Box<T> 等容器才能將其實體化,Box<T> 會從堆積 (heap) 配置記憶體,並且不需要解參考,相當於 C/C++ 的 smart pointer。

組合勝於繼承

Rust 的 struct 和 enum 無法繼承,而 trait 可以繼承,而且 trait 支援多重繼承 (multiple inheritance) 的機制;trait 可提供介面和實作,但本身無法實體化,反之,struct 和 enum 可以實體化。Rust 用這樣的機制避開 C++ 的菱型繼承 (diamond inheritance) 問題,類似 Java 的 interface 的味道。

組合就是將某個類別內嵌在另一個類別中,變成另一個類別的屬性,然後再透過多型提供相同的公開介面,外部程式會覺得好像類別有繼承一般。

假設我們要設計一個 RPG 遊戲,有兩個類別,分別是 Creature 和 Character,而這兩者都可設定行動優先順序。首先,決定公開界面,為了簡化問題,這裡僅實作優先權的 getter/setter:

接著,實作 Creature 類別:

接著,實作 Character 類別,在這裡,我們透過組合的機制將 Creature 類別變成 Character 類別的一部分:

`1 最後,從外部程式呼叫這兩個類別:

在本例中,Creature 是 Character 的屬性,但從外部程式看來,無法區分兩者是透過繼承還是組合得到相同的行為。在 Rust 和 Go 這兩個新興語言中,不約而同拿掉繼承的機制,改用組合搭配多型達到類似的效果,這樣的設計,是語言的進步還是語言的缺陷,就留給各位讀者自行思考。

前文提到 struct 無法繼承,而 trait 可以繼承。以下展示一個繼承 trait 的實例。首先,定義 Color 和 Sharp trait,接著由 Item trait 繼承前兩個 trait:

實作 Orange 類別,該類別實作 Color trait:

實作 Ball 類別,該類別實作 Shape trait:

實作 Basketball 類別,該類別透過多型機制置入 Color 和 Shape 兩種類別:

最後,透過外部程式呼叫 Basketball 類別:

在本程式中,Item 繼承了 Color 和 Shape 的方法,再加上自身的方法,共有三個方法。在實作 Basketball 物件時,則需要同時實作三者的方法;在我們的實作中, color 和 shape 這兩個屬性實際上是物件,由這些內部物件提供相關方法,但由外部程式看起來像是靜態的屬性,這裡利用到物件導向的封裝及組合,但外部程式不需擔心內部的實作,展現物件導向的優點。

在撰寫物件導向程式時,可將 trait 視為沒有內建狀態的抽象類別。然而,trait 類別本身不能實體化,要使用 Box 等容器來實體化。這些容器使用到泛型的觀念,在本章,我們暫時不會深入泛型的概念,基本上,透過泛型,同一套程式碼可套用在不同型別上。

方法重載

方法重載指的是相同名稱的方法,但參數不同。Rust 不支援方法重載,如果有需要的話,可以用泛型結合抽象類別來模擬,可見泛型章節中的範例。

運算子重載

Rust 的運算子重載利用了內建 trait 來完成。每個 Rust 的運算子,都有相對應的 trait,在實作新類別時,只要實作某個運算子對應的 trait,就可以直接使用該運算子。運算子重載並非物件導向必備的功能,像是 Java 和 Go 就沒有提供運算子重載的機制。善用運算子重載,可減少使用者記憶公開方法的負擔,但若運算子重載遭到濫用,則會產生令人困惑的程式碼。

在本範例中,我們實作有理數 (rational number) 及其運算,為了簡化範例,本例僅實作加法。首先,宣告有理數型別,一併呼叫要實作的 trait:

實作其建構子,在內部,我們會求其最大公約數後將其約分:

實作加法運算,在這裡,實作 Add trait,之後就可以直接用 + 運算子來計算:

我們額外實作 Display trait,方便我們之後可以直接從終端機印出有理數:

最後,從外部程式呼叫此有理數物件。由於我們實作了相關的 trait,使用起來很類似基礎型別:

如果我們繼續將這個範例發展下去,就可以實作有理數的運算系統,不過,這只是展示運算子重載的範例,我們就把實作有理數的任務留給有興趣的讀者。在本例中,我們實作了兩個 trait,Rust 自動幫我們實作兩個 trait,使得外部程式使用起來相當接近操作內建形別的過程,體現運算子重載的優點。

comments powered by Disqus