【Rust】运算符重载

发表于 分类于 阅读次数： 本文字数： 2.9k 阅读时长 ≈ 10 分钟

我们可以为自定义的类型实现加减乘除操作，只要实现标准库的一些 Trait，这称之为运算符重载。下图是可以重载的运算符和需要对应实现的 Trait 列表：

算数和位运算符

在 Rust 中，表达式 a + b 实际上是 a.add(b) 的简写，调用 std::ops::Add 的方法，Rust 标准库数值类型都实现了这个 Trait。所有如果我们要实现类型之间的算数运算，只需要为这个类型实现相应的 Trait 即可。

假设我们需要为 num 中的 Complex<T> 实现 + 运算符：

1
2
3
4
5
6
pub struct Complex<T> {
    /// Real portion of the complex number
    pub re: T,
    /// Imaginary portion of the complex number
    pub im: T,
}

我们之前说过可以为一类类型添加方法，这样的话不至于为 Complex<i32> 和 Complex<u64> 都添加 + 运算符：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
#![allow(dead_code)]

use std::ops::Add;

#[derive(PartialEq, Eq, Clone, Copy, Debug)]
pub struct Complex<T> {
    /// Real portion of the complex number
    pub re: T,
    /// Imaginary portion of the complex number
    pub im: T,
}

impl<T> Add for Complex<T>
where
    T: Add<Output = T>,
{
    type Output = Self;
    fn add(self, rhs: Self) -> Self {
        Complex {
            re: self.re + rhs.re,
            im: self.im + rhs.im,
        }
    }
}

虽然 Rust 不赞成支持混合类型的操作，但我们可以实现，这里要求 L 必须能和 R 实现加法操作：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
impl<L, R> Add<Complex<R>> for Complex<L>
where
    L: Add<R>,
{
    type Output = Complex<L::Output>;
    fn add(self, rhs: Complex<R>) -> Self::Output {
        Complex {
            re: self.re + rhs.re,
            im: self.im + rhs.im,
        }
    }
}

一元操作符

Rust 有两个一元操作符 - 和 !，Rust 的所有带符号数字类型都实现了 std::ops::Neg，用于一元负数运算符 -。整数类型和 bool 实现 std::ops::Not，用于一元补码运算符 !。 ! 可以用于 bool 值也可以用于整数的按位取反。

std::ops::Neg 和 std::ops::Not 的定义如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
trait Neg {
    type Output;
    fn neg(self) -> Self::Output;
}

trait Not {
    type Output;
    fn not(self) -> Self::Output;
}

我们来实现对复数 Complex<T> 的 - 运算：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
use std::ops::Neg;
impl<T> Neg for Complex<T>
where
    T: Neg<Output = T>,
{
    type Output = Complex<T>;
    fn neg(self) -> Complex<T> {
        Complex {
            re: -self.re,
            im: -self.im,
        }
    }
}

二元运算符

所有 Rust 的数值类型都实现了算数运算符，整数和 bool 类型实现了位运算符。所有这些 Trait 都有相同的形式，^ 运算符对应的 std::ops::BitXor 如下图所示：

1
2
3
4
pub trait BitXor<Rhs = Self> {
    type Output;
    fn bitxor(self, rhs: Rhs) -> Self::Output;
}

复合赋值运算符

复合赋值表达式类似于 x += y 或 x &= y：它接受两个操作数，对它们执行一些操作，如加法或按位与，并将结果存储回左操作数。在 Rust 中，复合赋值表达式的值始终是 ()，而不是存储的值。

许多语言都有这样的运算符，通常将它们定义为 x = x + y 或 x = x & y 等表达式的简写，但是 Rust 没有采用这种方法。相反，x += y 是方法调用 x.add_assign(y) 的简写，其中 add_assign 是 std::ops::AddAssign 的唯一方法：

1
2
3
pub trait AddAssign<Rhs = Self> {
    fn add_assign(&mut self, rhs: Rhs);
}

Rust 的所有数字类型都实现了算术复合赋值运算符，Rust 的整数类型和 bool 实现了按位复合赋值运算符。我们来看一个对 Complex<T> 的假发复合赋值运算符：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
use std::ops::AddAssign;
impl<T> AddAssign for Complex<T>
where
    T: AddAssign<T>,
{
    fn add_assign(&mut self, rhs: Complex<T>) {
        self.re += rhs.re;
        self.im += rhs.im;
    }
}

复合赋值运算符的内置Trait完全不同于相应二元运算符的内置Trait。实现 std::ops::Add 不会自动实现 std::ops::AddAssign。如果你想让 Rust 允许你的类型作为 += 运算符的左操作数，你必须自己实现 AddAssign。

相等比较

Rust 的相等运算符 == 和 != 是调用 std::cmp::PartialEq 的 eq 和 ne 方法，这个 trait 的定义如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
trait PartialEq<Rhs = Self>
where
    Rhs: ?Sized,
{
    fn eq(&self, other: &Rhs) -> bool;
    fn ne(&self, other: &Rhs) -> bool {
        !self.eq(other)
    }
}

因为 ne 有个默认实现，我们只需要实现 eq 方法，这里有个为 Complex<T> 的实现：

1
2
3
4
5
impl<T: PartialEq> PartialEq for Complex<T> {
    fn eq(&self, other: &Complex<T>) -> bool {
        self.re == other.re && self.im == other.im
    }
}

PartialEq 的实现几乎总是如出一辙，每次都显示写出来显得很无聊，所以 Rust 经常会为我们自动派生这个 Trait 的实现：

1
2
3
4
#[derive(Clone, Copy, Debug, PartialEq)]
struct Complex<T> {
    ...
}

Rust 自动生成的实现本质上与我们的手写代码相同，依次比较类型的每个字段或元素，Rust 也可以为枚举类型派生 PartialEq 实现。自然地，该类型持有的每个值（或者在枚举的情况下可能持有）必须自己实现 PartialEq。

这里我们需要着重注意的是，这与算数运算符不同，eq 获取的是值的引用，这意味着比较 String，Vec 或者 HashMap 不会转移所有权：

1
2
3
4
5
6
let s = "d\x6fv\x65t\x61i\x6c".to_string();
let t = "\x64o\x76e\x74a\x69l".to_string();
assert!(s == t); // s and t are only borrowed...

// ... so they still have their values here.
assert_eq!(format!("{} {}", s, t), "dovetail dovetail");

我们再来看看 Rhs: ?Sized 的约定，之前从未见过。这放宽了 Rust 通常要求类型参数必须是 Sized 类型的要求，让我们可以编写像 PartialEq<str> 或 PartialEq<[T]> 这样的 Trait。eq 和 ne 方法采用 &Rhs 类型的参数，将某些东西与 &str 或 &[T] 进行比较是完全合理的。由于 str 实现了 PartialEq<str>，以下断言是等价的：

1
2
assert!("ungula" != "ungulate");
assert!("ungula".ne("ungulate"));

在这里，Self 和 Rhs 都将是 unsized 类型 str，使得 ne 的 Self 和 rhs 参数都是 &str 值。为什么 PartialEq? 叫做部分相等，因为从数学定义上来说，等价关系应该满足三个要求，对于任何值 x 和 y：

  • 如果 x == y 那么 y == x；

  • 如果 x == y，y == x 那么 x == z；

  • x == x 永远成立；

虽然最后一个足够简单，但最后一个正是出问题的地方。Rust 的 f32 和 f64 是 IEEE 标准浮点值，像 0.0 / 0.0 以及其他没有适当值的表达式必须产生 NaN，而且 NaN 不等于任何值包括自身：

1
2
3
4
5
6
7
8
assert!(f64::is_nan(0.0 / 0.0));
assert_eq!(0.0 / 0.0 == 0.0 / 0.0, false);
assert_eq!(0.0 / 0.0 != 0.0 / 0.0, true);

assert_eq!(0.0 / 0.0 < 0.0 / 0.0, false);
assert_eq!(0.0 / 0.0 > 0.0 / 0.0, false);
assert_eq!(0.0 / 0.0 <= 0.0 / 0.0, false);
assert_eq!(0.0 / 0.0 >= 0.0 / 0.0, false);

因此，虽然 Rust 的 == 运算符满足等价关系的前两个要求，但在 IEEE 浮点值上使用时显然不满足第三个要求，这称为部分等价关系。

如果你希望通用代码需要完全等价关系，则可以改为使用 std::cmp::Eq 作为边界，它表示完全等价关系：如果类型实现 Eq，则 x == x 对于该类型的每个值 x 都必须为真。在实践中，几乎所有实现 PartialEq 的类型也应该实现 Eq； f32 和 f64 是标准库中唯一属于 PartialEq 但不是 Eq 的类型。

标准库定义 Eq 是 PartialEq 的扩展，但是没有添加方法：

1
trait Eq: PartialEq<Self> {}

如果你的类型实现了 PartialEq 也希望是 Eq，那么必须显示实现 Eq，即使不用实现任何新的函数：

1
impl<T: Eq> Eq for Complex<T> {}

更简单的是我们可以使用派生 Eq 来实现：

1
2
3
4
#[derive(Clone, Copy, Debug, Eq, PartialEq)]
struct Complex<T> {
    ...
}

泛型类型的派生实现可能取决于类型参数，使用派生属性，Complex<i32> 将实现 Eq，因为 i32 可以，但是Complex<f32> 只会实现 PartialEq，因为 f32 没有实现 Eq。当自己实现 std::cmp::PartialEq 时，Rust 无法检查你的 eq 和 ne 是完全相等还是部分相等。

有序比较

Rust 在 PartialOrd 中定义了 < > <= >= 的逻辑：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
pub trait PartialOrd<Rhs = Self>: PartialEq<Rhs> 
where
    Rhs: ?Sized, 
{
    fn partial_cmp(&self, other: &Rhs) -> Option<Ordering>;

    fn lt(&self, other: &Rhs) -> bool { ... }
    fn le(&self, other: &Rhs) -> bool { ... }
    fn gt(&self, other: &Rhs) -> bool { ... }
    fn ge(&self, other: &Rhs) -> bool { ... }
}

这个 Trait 中唯一需要实现的是 partial_cmp 方法，根据它的返回结果，就确定了比较结果：

1
2
3
4
5
enum Ordering {
    Less, // self < other
    Equal, // self == other
    Greater, // self > other
}

但是如果 partial_cmp 返回 None，这意味着 self 和 other 相对于彼此是无序的：既不大于另一个，也不相等，在 Rust 中，只有 NaN 之间的比较才会有这样的结果。

像其他二元运算符一样，比较左右两种类型的值，左值必须实现 PartialOrd<Right>。 像 x < y 或 x >= y 这样的表达式是下面一些方法的简写：

如果想始终确定两个值得大小关系，那么就需要使用更严格的 std::cmp::Ord：

1
2
3
4
5
6
7
pub trait Ord: Eq + PartialOrd<Self> {
    fn cmp(&self, other: &Self) -> Ordering;

    fn max(self, other: Self) -> Self { ... }
    fn min(self, other: Self) -> Self { ... }
    fn clamp(self, min: Self, max: Self) -> Self { ... }
}

这里的 cmp 方法总是返回 Odering，说明两个值总是有顺序的，几乎所有实现 PartialOrd 的类型也实现了 Ord，除了 f32 和 f64。

Index 和 IndexMut

索引运算符 [] 也是可以重载的，例如，a[i] 实际上是 *a.index(i)，如果这个表达式赋值给可变引用那家么实际上调用的是 *a.index_mut(i)，这俩方法分别代表的是std::ops::Index 和 std::ops::IndexMut，它们的实际定义如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
pub trait Index<Idx> 
where
    Idx: ?Sized, 
{
    type Output: ?Sized;
    fn index(&self, index: Idx) -> &Self::Output;
}

pub trait IndexMut<Idx>: Index<Idx> 
where
    Idx: ?Sized, 
{
    fn index_mut(&mut self, index: Idx) -> &mut Self::Output;
}

可以使用单个 usize 来索引切片，引用单个元素，因为切片实现 Index<usize>。但也可以可以使用像 a[i..j] 这样的表达式来引用子切片，因为它们也实现了 Index<Range<usize>>，这个表达式是简写为了：

1
*a.index(std::ops::Range { start: i, end: j })

std::collections::HashMap 和 std::collections::BTreeMap 都实现了 Index<&str>。

所以我们可以这样使用：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

fn main() {
    use std::collections::HashMap;
    let mut m = HashMap::new();
    m.insert("十", 10);
    m.insert("百", 100);
    m.insert("千", 1000);
    m.insert("万", 1_0000);
    m.insert("億", 1_0000_0000);
    assert_eq!(m["十"], 10);
    assert_eq!(m["千"], 1000);

    // 等价于
    use std::ops::Index;
    assert_eq!(*m.index("十"), 10);
    assert_eq!(*m.index("千"), 1000);
}

从定义可以看出 IndexMut 扩展了 Index 并且增加了 index_mut 方法。当索引表达式出现在必要的上下文中时，Rust 会自动选择 index_mut。例如，假设我们编写以下代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
let mut desserts =
vec!["Howalon".to_string(), "Soan papdi".to_string()];
desserts[0].push_str(" (fictional)");
desserts[1].push_str(" (real)");

// 等价于

use std::ops::IndexMut;
(*desserts.index_mut(0)).push_str(" (fictional)");
(*desserts.index_mut(1)).push_str(" (real)");

IndexMut 的一个限制是，根据设计，它必须返回对某个值的可变引用。这就是为什么你不能使用像 m["十"] = 10; 这样的表达式的原因。因为向 HashMap 中插入一个值：该表需要首先为“十”创建一个 entry，并使用一些默认值，然后返回一个可变引用，但并非所有类型都具有简单的默认值，而且这里创建一个默认值并且立马丢掉，然后使用新值覆盖。

实现一个二维数组示例，存储图片的像素：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
#![allow(dead_code)]

struct Image<P> {
    width: usize,
    pixels: Vec<P>,
}
impl<P: Default + Copy> Image<P> {
    /// Create a new image of the given size.
    fn new(width: usize, height: usize) -> Image<P> {
        Image {
            width,
            pixels: vec![P::default(); width * height],
        }
    }
}

impl<P> std::ops::Index<usize> for Image<P> {
    type Output = [P];
    fn index(&self, row: usize) -> &[P] {
        let start = row * self.width;
        &self.pixels[start..start + self.width]
    }
}

impl<P> std::ops::IndexMut<usize> for Image<P> {
    fn index_mut(&mut self, row: usize) -> &mut [P] {
        let start = row * self.width;
        &mut self.pixels[start..start + self.width]
    }
}

fn main() {
    let image = Image::<u8>::new(10, 10);
    println!("{:?}", &image[1]);
}

其他运算符

并非所有的运算符都可以重载，例如，用于错误检测的 ?，逻辑运算符 && 和 ||，范围运算符 .. 和 ..=，借用运算符 & 和赋值运算符 = 不能被重载。

解引用运算符 * 和字段(方法)运算符 . 是可以通过 std::ops::Deref 和 std::ops::DerefMut 重载的。

Rust 不支持重载函数调用运算符 f(x)，而是当你需要一个可调用的值时，用闭包来实现。