English Original

1. 泛型全景图 🟢

你将学到：

• 单态化如何实现零成本泛型 —— 以及何时会引发代码膨胀
• 决策框架：泛型 vs 枚举 vs trait 对象
• 用于编译期数组大小的 const 泛型，以及用于编译期计算的 const fn
• 何时在冷代码路径上将静态分发换为动态分发

单态化与零成本

Rust 中的泛型是 单态化 (monomorphized) 的 —— 编译器会为每个使用的具体类型生成一份该泛型函数的专门副本。这与 Java/C# 不同，后者的泛型在运行时会被擦除。

fn max_of<T: PartialOrd>(a: T, b: T) -> T {
    if a >= b { a } else { b }
}

fn main() {
    max_of(3_i32, 5_i32);     // 编译器生成 max_of_i32
    max_of(2.0_f64, 7.0_f64); // 编译器生成 max_of_f64
    max_of("a", "z");         // 编译器生成 max_of_str
}

编译器实际生成的内容 (概念上)：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 三个独立的函数 —— 没有运行时分发，没有 vtable：
fn max_of_i32(a: i32, b: i32) -> i32 { if a >= b { a } else { b } }
fn max_of_f64(a: f64, b: f64) -> f64 { if a >= b { a } else { b } }
fn max_of_str<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str { if a >= b { a } else { b } }
}

为什么 max_of_str 需要 <'a> 而 max_of_i32 不需要？ i32 和 f64 是 Copy 类型 —— 函数返回的是拥有所有权的值。但 &str 是引用，因此编译器必须知道返回引用的生命周期。<'a> 标注的意思是“返回的 &str 至少与两个输入参数活得一样久”。

优点：零运行时开销 —— 与手写的针对特定类型的代码完全一致。优化器可以独立地对每个副本进行内联、向量化和专门优化。

与 C++ 的比较：Rust 泛型的工作原理类似于 C++ 模板，但有一个关键区别 —— 约束检查发生在定义时，而不是实例化时。

#![allow(unused)]
fn main() {
// Rust：在定义位置报错 —— “T 未实现 Display”
fn broken<T>(val: T) {
    println!("{val}"); // ❌ 错误：T 未实现 Display
}

// 修复：添加约束
fn fixed<T: std::fmt::Display>(val: T) {
    println!("{val}"); // ✅
}
}

泛型的副作用：代码膨胀

单态化是有代价的 —— 即二进制文件体积。每个唯一的实例化都会复制一份函数体：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 这个看似无辜的函数……
fn serialize<T: serde::Serialize>(value: &T) -> Vec<u8> {
    serde_json::to_vec(value).unwrap()
}

// ……如果用于 50 种不同的类型 → 二进制文件中就会有 50 份副本。
}

缓解策略：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 1. 提取非泛型核心（“轮廓”模式）
fn serialize<T: serde::Serialize>(value: &T) -> Result<Vec<u8>, serde_json::Error> {
    let json_value = serde_json::to_value(value)?;
    serialize_value(json_value)
}

fn serialize_value(value: serde_json::Value) -> Result<Vec<u8>, serde_json::Error> {
    // 此函数在二进制文件中只存在一份
    serde_json::to_vec(&value)
}

// 2. 使用 trait 对象（动态分发）
fn log_item(item: &dyn std::fmt::Display) {
    // 只有一份拷贝 —— 使用 vtable 进行分发
    println!("[LOG] {item}");
}
}

泛型 vs 枚举 vs Trait 对象 —— 决策指南

flowchart TD
    A["你在编译期是否知晓<br>所有可能的类型？"]
    A -->|"是，且是小的<br>封闭集合"| B["枚举 (Enum)"]
    A -->|"是，但集合<br>是开放的"| C["泛型<br>(单态化)"]
    A -->|"不确定 —— 类型<br>在运行时决定"| D["dyn Trait"]

    C --> E{"是否是热点路径？<br>(涉及数百万次调用)"}
    E -->|是| F["泛型<br>(可内联)"]
    E -->|否| G["dyn Trait<br>也可以"]

    D --> H{"是否需要在同一个集合中<br>存放混合类型？"}
    H -->|是| I["Vec&lt;Box&lt;dyn Trait&gt;&gt;"]
    H -->|否| C

    style A fill:#e8f4f8,stroke:#2980b9,color:#000
    style B fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style C fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style D fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style F fill:#d4efdf,stroke:#27ae60,color:#000
    style G fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style I fill:#fdebd0,stroke:#e67e22,color:#000
    style E fill:#fef9e7,stroke:#f1c40f,color:#000
    style H fill:#fef9e7,stroke:#f1c40f,color:#000

Const 泛型

从 Rust 1.51 开始，你可以针对 常量值 而不仅仅是类型来对类型和函数进行参数化：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 针对大小进行参数化的数组包装器
struct Matrix<const ROWS: usize, const COLS: usize> {
    data: [[f64; COLS]; ROWS],
}

impl<const ROWS: usize, const COLS: usize> Matrix<ROWS, COLS> {
    fn new() -> Self {
        Matrix { data: [[0.0; COLS]; ROWS] }
    }

    fn transpose(&self) -> Matrix<COLS, ROWS> {
        let mut result = Matrix::<COLS, ROWS>::new();
        for r in 0..ROWS {
            for c in 0..COLS {
                result.data[c][r] = self.data[r][c];
            }
        }
        result
    }
}
}

Const 函数 (const fn)

const fn 将函数标记为在编译期可求值 —— 相当于 Rust 中的 C++ constexpr。

#![allow(unused)]
fn main() {
// 基础 const fn —— 在编译期求值
const fn celsius_to_fahrenheit(c: f64) -> f64 {
    c * 9.0 / 5.0 + 32.0
}

const BOILING_F: f64 = celsius_to_fahrenheit(100.0); // 编译期计算
}

关键要点：泛型

• 单态化提供了零成本抽象，但可能导致代码膨胀
• Const 泛型 ([T; N]) 替代了 C++ 的模板技巧
• const fn 针对简单值消除了对 lazy_static! 的需求

练习：带逐出机制的泛型缓存 ★★

构建一个泛型 Cache<K, V> 结构体，用于存储键值对，并具有可配置的最大容量。当缓存满时，将逐出最旧的条目 (FIFO)。

#![allow(unused)]
fn main() {
use std::collections::{HashMap, VecDeque};
use std::hash::Hash;

struct Cache<K, V> {
    map: HashMap<K, V>,
    order: VecDeque<K>,
    capacity: usize,
}

impl<K: Eq + Hash + Clone, V> Cache<K, V> {
    fn new(capacity: usize) -> Self {
        Cache {
            map: HashMap::with_capacity(capacity),
            order: VecDeque::with_capacity(capacity),
            capacity,
        }
    }

    fn insert(&mut self, key: K, value: V) {
        if self.map.contains_key(&key) {
            self.map.insert(key, value);
            return;
        }
        if self.map.len() >= self.capacity {
            if let Some(oldest) = self.order.pop_front() {
                self.map.remove(&oldest);
            }
        }
        self.order.push_back(key.clone());
        self.map.insert(key, value);
    }

    fn get(&self, key: &K) -> Option<&V> {
        self.map.get(key)
    }

    fn len(&self) -> usize {
        self.map.len()
    }
}
}