Definiowanie wyliczeń

Podczas gdy struktury pozwalają na grupowanie powiązanych pól i danych, jak Rectangle z jego szerokością i wysokością, typy wyliczeniowe pozwalają na określenie wartości jako jednej z możliwych. Na przykład, za ich pomocą możemy wyrazić, że Rectangle (prostokąt) jest jednym z możliwych kształtów, które obejmują również Circle (koło) i Triangle (trójkąt).

Weźmy na tapetę pewną sytuację, w której wyliczenia są przydatniejsze i bardziej odpowiednie niż struktury. Załóżmy, że chcemy wykonywać operacje na adresach IP. Obecnie istnieją dwa standardy adresów IP: wersja czwarta i szósta. Ponieważ to jedyne możliwe typy adresów IP na jakie napotka się nasz program, to możemy wyliczyć (ang. enumerate) wszystkie możliwe wartości, stąd nazwa wyliczeń/enumeracji.

Dany adres IP może być albo w wersji czwartej albo w szóstej, ale nigdy w obu naraz. Ta właściwość adresów IP sprawia, że wyliczenia będą dobrym wyborem, skoro mogą przyjąć tylko jedną wartość ze wszystkich swoich wariantów. Zarówno adresy wersji czwartej, jak i wersji szóstej to nadal adresy IP, więc kod zajmujący się operacjami niezależnymi od typu adresu powinien traktować oba adresy jakby były tym samym typem.

Możemy wyrazić tę myśl w kodzie definując wyliczenie IpAddrKind i wymieniając wszystkie możliwe typy adresów IP: V4 oraz V6. To są warianty tego enuma:

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

IpAddrKind jest teraz niestandardowym typem danych dostępnym dla nas w całym kodzie.

Wartości wyliczeń

Możemy stworzyć instancje obu wariantów IpAddrKind następująco:

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

Proszę zauważyć, że warianty wyliczenia dostępne są w przestrzeni jego nazwy, a więc korzystamy z dwóch dwukropków pomiędzy nazwą enuma a jego wariantem. To jest przydatne, bo teraz zarówno wartość IpAddrKind::V4, jak i IpAddrKind::V6 mają ten sam typ: IpAddrKind. A co za tym idzie, możemy napisać funkcję przyjmującą jako argument dowolny IpAddrKind.

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

tę funkcję możemy wywołać z dowolnym wariantem:

enum IpAddrKind {
    V4,
    V6,
}

fn main() {
    let four = IpAddrKind::V4;
    let six = IpAddrKind::V6;

    route(IpAddrKind::V4);
    route(IpAddrKind::V6);
}

fn route(ip_kind: IpAddrKind) {}

Enumeracje mają jeszcze więcej zalet. Przyjrzyjmy się naszemu typowi adresu IP dokładniej. Na chwilę obecną nie jesteśmy w stanie przechować samego adresu IP, czyli jego danych; możemy przechować jedynie jego rodzaj. Skoro dopiero co w rozdziale 5 poznaliśmy struktury, moglibyśmy pokusić się by ich użyć, tak jak pokazano na listingu 6-1.

fn main() {
    enum IpAddrKind {
        V4,
        V6,
    }

    struct IpAddr {
        kind: IpAddrKind,
        address: String,
    }

    let home = IpAddr {
        kind: IpAddrKind::V4,
        address: String::from("127.0.0.1"),
    };

    let loopback = IpAddr {
        kind: IpAddrKind::V6,
        address: String::from("::1"),
    };
}

Listing 6-1: Przechowywanie danych i wariantu IpAddrKind adresu IP przy użyciu struktury

Zdefiniowaliśmy strukturę IpAddr mającą dwa pola: kind (ang. rodzaj) typu IpAddrKind (wyliczenie zdefiniowane przez nas wcześniej) oraz address przechowującą wartość typu String. Stworzyliśmy dwie instancje tej struktury. Pierwsza, home, do pola kind ma przypisaną wartość IpAddrKind::V4, zaś do address wartość 127.0.0.1. Druga instancja, loopback ma inny wariant IpAddrKind jako wartość pola kind, ta wartość wynosi V6; oraz jako adres przypisany ma String ::1. Tym samym użyliśmy struktury aby zgrupować wartości kind i address, dzięki czemu typ adresu i sam adres są ze sobą powiązane.

Jednakże, tę samą myśl jesteśmy w stanie wyrazić zwięzłej za pomocą samego enuma: zamiast wstawiając enuma do struktury, możemy umieścić dane w każdym z wariantów enuma. Ta nowa definicja enuma IpAddr zawiera zarówno w wariancie V4 jak i V6 nową wartość o typie String:

fn main() {
    enum IpAddr {
        V4(String),
        V6(String),
    }

    let home = IpAddr::V4(String::from("127.0.0.1"));

    let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}

Bezpośrednio dołączamy dane do każdego wariantu enuma, więc dodatkowa struktura staje się niepotrzebna. Tutaj łatwo można też dostrzec inny szczegół działania enuma: nazwa każdego jego wariantu, jest również funkcją konstruującą instancję enuma. Czyli, IpAddr::V4() jest wywołaniem funkcji, która przyjmuje argument String i zwraca instancję typu IpAddr. Ta funkcja konstruującą jest zdefiniowana automatycznie.

Wykorzystanie enuma zamiast struktury niesie ze sobą jeszcze jedną korzyść: z każdym wariantem mogą być powiązane inne typy oraz ilości danych. Adresy IP wersji czwartej zawsze będą miały cztery liczby, o wartościach pomiędzy 0 a 255. Zapisanie adresu V4 jako czterech wartości u8, a adresu V6 nadal jako typ String byłoby niemożliwe przy użyciu struktury. W przypadku wyliczeń jest to proste:

fn main() {
    enum IpAddr {
        V4(u8, u8, u8, u8),
        V6(String),
    }

    let home = IpAddr::V4(127, 0, 0, 1);

    let loopback = IpAddr::V6(String::from("::1"));
}

Pokazaliśmy kilka różnych sposobów definiowania struktur danych przechowujących adresy IP czwartej i szóstej wersji. Jak się jednak okazuje, przechowywanie adresów IP wraz z rodzajem ich wersji jest tak powszechne, że biblioteka standardowa ma gotową definicję czekającą tylko na to, aby jej użyc! Spójrzmy na definicję IpAddr w bibliotece standardowej: ma dokładnie taką samą nazwę i takie sama warianty, ale przechowuje dane o adresach za pomocą dwóch różnych struktur, zdefiniowanych osobno oraz umieszczonych w wariantach wyliczenia.

#![allow(unused)]
fn main() {
struct Ipv4Addr {
    // --snip--
}

struct Ipv6Addr {
    // --snip--
}

enum IpAddr {
    V4(Ipv4Addr),
    V6(Ipv6Addr),
}
}

Jak demonstruje powyższy wycinek kodu, w wariantach enuma można umieścić każdy typ danych, np.: ciąg znaków (string), typ liczbowy, lub strukturę. W enumie można umieścić nawet innego enuma! Ponadto, typy w standardowej bibliotece często nie są wcale bardziej skomplikowane od wymyślonych samodzielnie.

Mimo że standardowa biblioteka definiuje własny IpAddr, nadal możemy stworzyć i używać własnej definicji bez żadnych konfliktów, bo nie zaimportowaliśmy definicji z biblioteki standardowej do zasięgu (ang. scope). Więcej informacji o importowaniu typów do zasięgu zawiera rozdział 7.

Spójrzmy na innego enuma, na przykładzie listingu 6-2: ten w swoich wariantach zawierał będzie wiele różnych typów.

enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y: i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

fn main() {}

Listing 6-2: Enum Message, którego warianty zawierają różne ilości i typy wartości

Ten enum definiuje cztery warianty, każdy z innymi typami:

Quit, nie zawiera w sobie żadnych danych.
Move zawiera nazwane pola, zupełnie jak struktura.
Write zawiera w sobie jeden String.
ChangeColor zawiera trzy wartości o typach i32.

Na przykładzie enuma w listingu 6-2 widzimy, że definiowanie wariantów jest podobne do definiowania kilku struktur, z taką różnicą, że nie używamy słowa kluczowego struct oraz, że wszystkie warianty zgrupowane są w typie Message. Poniższe struktury mogą zawierać te same dane co powyższe typy enuma:

struct QuitMessage; // struktura jednostkowa
struct MoveMessage {
    x: i32,
    y: i32,
}
struct WriteMessage(String); // struktura krotkowa
struct ChangeColorMessage(i32, i32, i32); // struktura krotkowa

fn main() {}

Ale jeśli użylibyśmy różnych struktur, to, w przeciwieństwie do enuma, każda z nich miałaby inny typ. Zdefiniowanie funkcji mogącej przyjąć jako parametr różne rodzaje wiadomości, nie byłoby tak proste jak przy użyciu enuma Message zdefiniowanego w listingu 6-2.

Jest jeszcze jedno podobieństwo między wyliczeniami, a strukturami: tak jak można zdefiniować metody dla struktur używając bloku impl, można je też zdefiniować dla typu wyliczeniowego. Spójrzmy na metodę o nazwie call zdefinowaną na naszym enumie Message:

fn main() {
    enum Message {
        Quit,
        Move { x: i32, y: i32 },
        Write(String),
        ChangeColor(i32, i32, i32),
    }

    impl Message {
        fn call(&self) {
            // tutaj można zdefiniować ciało metody
        }
    }

    let m = Message::Write(String::from("witaj"));
    m.call();
}

Ciało metody użyje wartości self, aby uzyskać wariant enuma, na którym ta metoda została wywołana. W tym przykładzie przypisaliśmy do zmiennej m wartość Message::Write(String::from("witaj")), która, w wywołaniu m.call() stanie się parametrem self, dostępnym w ciele metody call.

Spójrzmy na kolejne wyliczenie z biblioteki standardowej, które jest bardzo przydatne i często używane, czyli Option.

Wyliczenie `Option` i jego przewagi nad wartościami Null

W tej sekcji znajduje się analiza typu Option, kolejnego enuma z biblioteki standardowej. Typ Option używany jest w wielu miejscach, ponieważ opisuje bardzo częsty scenariusz, w którym dana wartość może być zarówno czymś albo niczym.

Na przykład, jeśli zażądamy pierwszego elementu niepustej listy, to otrzymamy jego wartość. Jeśli zażądamy pierwszego elementu pustej listy, nie otrzymamy nic. Wyrażenie tej koncepcji za pomocą systemu typów Rusta sprawia, że kompilator jest w stanie sprawdzić, czy wzięliśmy pod uwagę wszystkie przypadki, co pozwala zapobiegać błędom (bugom) pojawiającym się bardzo często w innych językach programowania.

Przez konstrukcję języka programowania często rozumie się decyzje o zawarciu w nim jakichś funkcjonalności. Ale równie istotne jest to, jakie funkcjonalności się w nim nie znalazły. Rust nie ma wartości null znanej z wielu innych języków. Null to wartość oznaczająca brak wartości - jest to wartość pusta. W językach z pustymi wartościami, zmienne zawsze mogą być w jednym z dwóch stanów: null lub nie-null.

W swojej prezentacji z 2009 roku "Puste referencje: Błąd warty miliard dolarów" (oryg. „Null References: The Billion Dollar Mistake,”), Tony Hoare, wynalazca nulla, powiedział:

Ten błąd warty jest miliard dolarów. W tamtych czasach projektowałem pierwszy kompleksowy system typów referencji dla języków obiektowych. Moim celem było zapewnienie gwarancji, że każde użycie referencji byłoby całkowicie bezpieczne, co automatycznie sprawdzałby kompilator. Ale nie mogłem oprzeć się pokusie implementacji pustych referencji, z prostej przyczyny: było to łatwe do zaimplementowania. Ta decyzja doprowadziła do tylu niezliczonych błędów, luk i awarii systemów, że łącznie przez ostatnie czterdzieści lat pewnie spowodowała ból i szkody warte miliard dolarów.

Problem z pustymi wartościami polega na tym, że próba użycia nulla tak, jak gdyby nie był nullem, spowoduje błąd. Ponieważ ta właściwość, null lub nie-null, jest wszechobecna, niezwykle łatwo jest popełnić ten rodzaj błędu.

Jednak koncepcja, którą null próbuje wyrazić, jest przydatna: null oznacza że wartość jest obecnie nieważna lub nieobecna.

Problemem nie jest sam pomysł, ale ta konkretna implementacja pustych wartości. Rust nie ma jako takich pustych wartości null, ale istnieje w Ruście wyliczenie, które wyraża pojęcie obecności lub braku obecności danej wartości. Tym wyliczeniem jest Option<T> zdefiniowane przez bibliotekę standardową]option w następujący sposób:

#![allow(unused)]
fn main() {
enum Option<T> {
    None,
    Some(T),
}
}

Enum Option<T> jest tak przydatny, że znajduje się w prelude; nie trzeba samemu go importować. Ponadto, to samo dotyczy jego wariantów: Some i None można użyć bez prefiksu Option::. Enum Option<T> jest zwykłym wyliczeniem, a Some(T) oraz None to nadal zwykłe warianty Option<T>.

Składnia <T> jest funkcjonalnością Rusta, której jeszcze nie omówiliśmy. Jest to tzw. parametr generyczny. Bardziej szczegółowo omówimy je w rozdziale 10. Póki co, wszystko co musisz o nich wiedzieć to to, że <T> oznacza, że wariant Some enuma Option może zawierać w sobie jedną wartość dowolnego typu. Co więcej, Option<T> jest różnych typów dla różnych, konkretnych typów T. Oto niektóre przykłady używania wartości Option do przechowywania typów liczbowych oraz łańcuchowych (stringów):

fn main() {
    let some_number = Some(5);
    let some_char = Some('e');

    let absent_number: Option<i32> = None;
}

Zmienna some_number jest typu Option<i32>, zaś some_char jest typu Option<char>, który jest innym typem. Rust może wydedukować te typy, ponieważ określiliśmy wartość wewnątrz wariantu Some. W przypadku absent_number, Rust wymaga od nas adnotacji o całościowym type Option: kompilator nie może wywnioskować typu, jaki będzie posiadał wariant Some widząc tylko wartość None. Tutaj mówimy więc Rustowi, że chcemy aby absent_number było typu Option<i32>.

Widząc Some, wiemy że wartość jest obecna oraz że znajduje się ona w Some. Za to None, w pewnym sensie oznacza to samo co null, czyli brak prawidłowej wartości. To dlaczego Option<T> jest lepszy od nulla?

W skrócie, Option<T> i T (gdzie T może być dowolnym typem) są różnymi typami, więc kompilator nie pozwoli nam użyć Option<T> tak jakby była to prawidłowa wartość typu T. Na przykład, ten kod się nie skompiluje, bo próbujemy w nim dodać do siebie wartość typu i8 oraz Option<i8>:

fn main() {
    let x: i8 = 5;
    let y: Option<i8> = Some(5);

    let sum = x + y;
}

Uruchamiając ten kod, otrzymamy następujący komunikat o błędzie:

$ cargo run
   Compiling enums v0.1.0 (file:///projects/enums)
error[E0277]: cannot add `Option<i8>` to `i8`
 --> src/main.rs:5:17
  |
5 |     let sum = x + y;
  |                 ^ no implementation for `i8 + Option<i8>`
  |
  = help: the trait `Add<Option<i8>>` is not implemented for `i8`
  = help: the following other types implement trait `Add<Rhs>`:
            <&'a i8 as Add<i8>>
            <&i8 as Add<&i8>>
            <i8 as Add<&i8>>
            <i8 as Add>

For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.
error: could not compile `enums` due to previous error

Bezlitośnie! Ten komunikat oznacza, że Rust nie wie jak ma dodać do siebie typy i8 oraz Option<i8>, ponieważ to dwa różne typy. Kiedy w Ruście posługujemy się typem takim jak i8, kompilator zawsze gwarantuje, że jest to prawidłowa wartość. Możemy być pewni swego i kontynuować kodowanie bez sprawdzania czy dana wartość jest pusta. Jedynie kiedy posługujemy się typem Option<i8> (czy jakimkolwiek innym typem zawartym wewnątrz Option) musimy się martwić o ewentualny brak wartości, zaś kompilator upewni się, że uwzględniliśmy ten przypadek przed użyciem wartości.

Innymi słowy, musimy skonwertować wartość typu Option<T> na T zanim przyjmie ona zachowania charakterystyczne dla typu T. W większości przypadków pozwala to na pozbycie się jednego z najczęstszych problemów z nullem: zakładanie, że jakaś wartość istnieje, kiedy tak na prawdę nie istnieje.

Wyeliminowanie ryzyka nieprawidłowego założenia, że dana wartość nie jest pusta, daje nam większą pewność co do napisanego kodu. Aby dana wartość mogła nie istnieć musimy wyrazić na to zgodę definiując daną wartość jako typ Option<T>. Następnie, używając tej wartości, musimy jawnie obsłużyć przypadek, gdy wartość jest null. Wszędzie, gdzie typem wartości nie jest Option<T>, można bezpiecznie założyć, że wartość nie jest pusta. To była celowa decyzja projektowa dla Rust, aby ograniczyć wszechobecność null i zwiększyć bezpieczeństwo napisanego kodu.

Więc mając wartość typu Option<T>, jak można dostać się do wartości typu T znajdującej się w wariancie Some? Enum Option<T> ma wiele przydatnych metod odpowiednich dla różnych sytuacji; można je znaleźć w dokumentacji. Zapoznanie się z metodami typu Option<T> jest bardzo przydatne w przygodzie z Rustem.

Zwykle, aby użyć wartości typu Option<T>, musimy napisać kod sprawdzający oba warianty. Jedna część kodu będzie odpowiedzialna za wariant Some(T) i będzie ona miała dostęp do wewnętrznej wartości typu T. Druga część będzie odpowiedzialna za wariant None i ona oczywiście nie będzie miała dostępu do wartości typu T. Wyrażenie match jest konstrukcją sterującą wykonaniem, pozwalającą na tego typu zachowanie. Wyrażenie match uruchomi różny kod w zależności od tego, który wariant ma dany enum. I ten kod będzie będzie miał dostęp do danych znajdujących się w dopasowanym wariancie.

Język Programowania Rust