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[rust-101.git] / src / part05.rs
1 // Rust-101, Part 05: Clone
2 // ========================
3
4 // ## Big Numbers
5 //@ In the course of the next few parts, we are going to build a data-structure for computations with
6 //@ *big* numbers. We would like to not have an upper bound to how large these numbers can get, with
7 //@ the memory of the machine being the only limit.
8 //@ 
9 //@ We start by deciding how to represent such big numbers. One possibility here is
10 //@ to use a vector "digits" of the number. This is like "1337" being a vector of four digits (1, 3, 3, 7),
11 //@ except that we will use `u64` as type of our digits, meaning we have 2^64 individual digits. Now we just
12 //@ have to decide the order in which we store numbers. I decided that we will store the least significant
13 //@ digit first. This means that "1337" would actually become (7, 3, 3, 1).<br/>
14 //@ Finally, we declare that there must not be any trailing zeros (corresponding to
15 //@ useless leading zeros in our usual way of writing numbers). This is to ensure that
16 //@ the same number can only be stored in one way.
17
18 //@ To write this down in Rust, we use a `struct`, which is a lot like structs in C:
19 //@ Just a bunch of named fields. Every field can be private to the current module (which is the default),
20 //@ or public (which is indicated by a `pub` in front of the name). For the sake of the tutorial, we make
21 //@ `data` public - otherwise, the next parts of this course could not work on `BigInt`s. Of course, in a
22 //@ real program, one would make the field private to ensure that the invariant (no trailing zeros) is maintained.
23 pub struct BigInt {
24     pub data: Vec<u64>,
25 }
26
27 // Now that we fixed the data representation, we can start implementing methods on it.
28 impl BigInt {
29     //@ Let's start with a constructor, creating a `BigInt` from an ordinary integer.
30     //@ To create an instance of a struct, we write its name followed by a list of
31     //@ fields and initial values assigned to them.
32     pub fn new(x: u64) -> Self {
33         if x == 0 {
34             BigInt { data: vec![] }
35         } else {
36             BigInt { data: vec![x] }                                /*@*/
37         }
38     }
39
40     //@ It can often be useful to encode the invariant of a data-structure in code, so here
41     //@ is a check that detects useless trailing zeros.
42     pub fn test_invariant(&self) -> bool {
43         if self.data.len() == 0 {
44             true
45         } else {
46             self.data[self.data.len() - 1] != 0                     /*@*/
47         }
48     }
49
50     // We can convert any vector of digits into a number, by removing trailing zeros. The `mut`
51     // declaration for `v` here is just like the one in `let mut ...`, it says that we will locally
52     // change the vector `v`.
53     // 
54     // **Exercise 05.1**: Implement this function.
55     // 
56     // *Hint*: You can use `pop()` to remove the last element of a vector.
57     pub fn from_vec(mut v: Vec<u64>) -> Self {
58         unimplemented!()
59     }
60 }
61
62 // ## Cloning
63 //@ If you have a close look at the type of `BigInt::from_vec`, you will notice that it
64 //@ consumes the vector `v`. The caller hence loses access to its vector. There is however something
65 //@ we can do if we don't want that to happen: We can explicitly `clone` the vector,
66 //@ which means that a full (or *deep*) copy will be performed. Technically,
67 //@ `clone` takes a borrowed vector, and returns a fully owned one.
68 fn clone_demo() {
69     let v = vec![0,1 << 16];
70     let b1 = BigInt::from_vec((&v).clone());
71     let b2 = BigInt::from_vec(v);
72 }
73 //@ Rust has special treatment for methods that borrow its `self` argument (like `clone`, or
74 //@ like `test_invariant` above): It is not necessary to explicitly borrow the receiver of the
75 //@ method. Hence you could replace `(&v).clone()` by `v.clone()` above. Just try it!
76
77 //@ To be clonable is a property of a type, and as such, naturally expressed with a trait.
78 //@ In fact, Rust already comes with a trait `Clone` for exactly this purpose. We can hence
79 //@ make our `BigInt` clonable as well.
80 impl Clone for BigInt {
81     fn clone(&self) -> Self {
82         BigInt { data: self.data.clone() }                          /*@*/
83     }
84 }
85 //@ Making a type clonable is such a common exercise that Rust can even help you doing it:
86 //@ If you add `#[derive(Clone)]` right in front of the definition of `BigInt`, Rust will
87 //@ generate an implementation of `Clone` that simply clones all the fields. Try it!
88 //@ These `#[...]` annotations at types (and functions, modules, crates) are called *attributes*.
89 //@ We will see some more examples of attributes later.
90
91 // We can also make the type `SomethingOrNothing<T>` implement `Clone`. 
92 //@ However, that can only work if `T` is `Clone`! So we have to add this bound to `T` when we introduce
93 //@ the type variable.
94 use part02::{SomethingOrNothing,Something,Nothing};
95 impl<T: Clone> Clone for SomethingOrNothing<T> {
96     fn clone(&self) -> Self {
97         match *self {                                               /*@*/
98             Nothing => Nothing,                                     /*@*/
99             //@ In the second arm of the match, we need to talk about the value `v`
100             //@ that's stored in `self`. However, if we would write the pattern as
101             //@ `Something(v)`, that would indicate that we *own* `v` in the code
102             //@ after the arrow. That can't work though, we have to leave `v` owned by
103             //@ whoever called us - after all, we don't even own `self`, we just borrowed it.
104             //@ By writing `Something(ref v)`, we borrow `v` for the duration of the match
105             //@ arm. That's good enough for cloning it.
106             Something(ref v) => Something(v.clone()),               /*@*/
107         }                                                           /*@*/
108     }
109 }
110 //@ Again, Rust will generate this implementation automatically if you add
111 //@ `#[derive(Clone)]` right before the definition of `SomethingOrNothing`.
112
113 // **Exercise 05.2**: Write some more functions on `BigInt`. What about a function that returns the number of
114 // digits? The number of non-zero digits? The smallest/largest digit?
115
116 // ## Mutation + aliasing considered harmful (part 2)
117 //@ Now that we know how to borrow a part of an `enum` (like `v` above), there's another example for why we
118 //@ have to rule out mutation in the presence of aliasing. First, we define an `enum` that can hold either
119 //@ a number, or a string.
120 enum Variant {
121     Number(i32),
122     Text(String),
123 }
124 //@ Now consider the following piece of code. Like above, `n` will be a borrow of a part of `var`,
125 //@ and since we wrote `ref mut`, the borrow will be mutable. In other words, right after the match, `ptr`
126 //@ points to the number that's stored in `var`, where `var` is a `Number`. Remember that `_` means
127 //@ "we don't care".
128 fn work_on_variant(mut var: Variant, text: String) {
129     let mut ptr: &mut i32;
130     match var {
131         Variant::Number(ref mut n) => ptr = n,
132         Variant::Text(_) => return,
133     }
134     /* var = Variant::Text(text); */
135     *ptr = 1337;
136 }
137 //@ Now, imagine what would happen if we were permitted to also mutate `var`. We could, for example,
138 //@ make it a `Text`. However, `ptr` still points to the old location! Hence `ptr` now points somewhere
139 //@ into the representation of a `String`. By changing `ptr`, we manipulate the string in completely
140 //@ unpredictable ways, and anything could happen if we were to use it again! (Technically, the first field
141 //@ of a `String` is a pointer to its character data, so by overwriting that pointer with an integer,
142 //@ we make it a completely invalid address. When the destructor of `var` runs, it would try to deallocate
143 //@ that address, and Rust would eat your laundry - or whatever.)
144 //@ 
145 //@ I hope this example clarifies why Rust has to rule out mutation in the presence of aliasing *in general*,
146 //@ not just for the specific case of a buffer being reallocated, and old pointers becoming hence invalid.
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