fix inconsistencies in part02
[rust-101.git] / src / part02.rs
1 // Rust-101, Part 02: Generic types, Traits
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4 //@ Let us for a moment reconsider the type `NumberOrNothing`. Isn't it a bit annoying that we
5 //@ had to hard-code the type `i32` in there? What if tomorrow, we want a `CharOrNothing`, and
6 //@ later a `FloatOrNothing`? Certainly we don't want to re-write the type and all its inherent
7 //@ methods.
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9 // ## Generic datatypes
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11 //@ The solution to this is called *generics* or *polymorphism* (the latter is Greek,
12 //@ meaning "many shapes"). You may know something similar from C++ (where it's called
13 //@ *templates*) or Java, or one of the many functional languages. So here, we define
14 //@ a generic type `SomethingOrNothing`.
15 pub enum SomethingOrNothing<T>  {
16     Something(T),
17     Nothing,
18 }
19 // Instead of writing out all the variants, we can also just import them all at once.
20 pub use self::SomethingOrNothing::*;
21 //@ What this does is define an entire family of types: We can now write
22 //@ `SomethingOrNothing<i32>` to get back our `NumberOrNothing`.
23 type NumberOrNothing = SomethingOrNothing<i32>;
24 //@ However, we can also write `SomethingOrNothing<bool>` or even
25 //@ `SomethingOrNothing<SomethingOrNothing<i32>>`. In fact, a type like `SomethingOrNothing` is so
26 //@ useful that it is already present in the standard library: It's called an *option type*,
27 //@ written `Option<T>`. Go check out its
28 //@ [documentation](https://doc.rust-lang.org/stable/std/option/index.html)! (And don't worry,
29 //@ there's indeed lots of material mentioned there that we have not covered yet.)
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31 // ## Generic `impl`, Static functions
32 //@ The types are so similar, that we can provide a generic function to construct a
33 //@ `SomethingOrNothing<T>` from an `Option<T>`, and vice versa.
34 //@ 
35 //@ Notice the syntax for giving generic implementations to generic types: Think of the first `<T>` 
36 //@ as *declaring* a type variable ("I am doing something for all types `T`"), and the second `<T>`
37 //@ as *using* that variable ("The thing I do, is implement `SomethingOrNothing<T>`").
38 //@
39 // Inside an `impl`, `Self` refers to the type we are implementing things for. Here, it is
40 // an alias for `SomethingOrNothing<T>`.
41 //@ Remember that `self` is the `this` of Rust, and implicitly has type `Self`.
42 impl<T> SomethingOrNothing<T> {
43     fn new(o: Option<T>) -> Self {
44         match o { None => Nothing, Some(t) => Something(t) }        /*@*/
45     }
46
47     fn to_option(self) -> Option<T> {
48         match self { Nothing => None, Something(t) => Some(t) }     /*@*/
49     }
50 }
51 //@ Observe how `new` does *not* have a `self` parameter. This corresponds to a `static` method
52 //@ in Java or C++. In fact, `new` is the Rust convention for defining constructors: They are
53 //@ nothing special, just static functions returning `Self`.
54 //@ 
55 // You can call static functions, and in particular constructors, as demonstrated in `call_constructor`.
56 fn call_constructor(x: i32) -> SomethingOrNothing<i32> {
57     SomethingOrNothing::new(Some(x))
58 }
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60 // ## Traits
61 //@ Now that we have a generic `SomethingOrNothing`, wouldn't it be nice to also have a generic
62 //@ `vec_min`? Of course, we can't take the minimum of a vector of *any* type. It has to be a type
63 //@ supporting a `min` operation. Rust calls such properties that we may demand of types *traits*.
64
65 //@ So, as a first step towards a generic `vec_min`, we define a `Minimum` trait.
66 //@ For now, just ignore the `Copy`, we will come back to this point later.
67 //@ A `trait` is a lot like interfaces in Java: You define a bunch of functions
68 //@ you want to have implemented, and their argument and return types. <br/>
69 //@ The function `min` takes two arguments of the same type, but I made the
70 //@ first argument the special `self` argument. I could, alternatively, have
71 //@ made `min` a static function as follows: `fn min(a: Self, b: Self) -> Self`.
72 //@ However, in Rust one typically prefers methods over static functions wherever possible.
73 pub trait Minimum : Copy {
74     fn min(self, b: Self) -> Self;
75 }
76
77 //@ Next, we write `vec_min` as a generic function over a type `T` that we demand to satisfy the `Minimum` trait.
78 //@ This requirement is called a *trait bound*.
79 //@ The only difference to the version from the previous part is that we call `e.min(n)` instead
80 //@ of `min_i32(n, e)`. Rust automatically figures out that `e` is of type `T`, which implements
81 //@ the `Minimum` trait, and hence we can call that function.
82 //@ 
83 //@ There is a crucial difference to templates in C++: We actually have to declare which traits
84 //@ we want the type to satisfy. If we left away the `Minimum`, Rust would have complained that
85 //@ we cannot call `min`. Just try it! <br/>
86 //@ This is in strong contrast to C++, where the compiler only checks such details when the
87 //@ function is actually used.
88 pub fn vec_min<T: Minimum>(v: Vec<T>) -> SomethingOrNothing<T> {
89     let mut min = Nothing;
90     for e in v {
91         min = Something(match min {
92             Nothing => e,
93             // Here, we can now call the `min` function of the trait.
94             Something(n) => {
95                 e.min(n)                                            /*@*/
96             }
97         });
98     }
99     min
100 }
101 //@ Before going on, take a moment to ponder the flexibility of Rust's take on abstraction:
102 //@ We just defined our own, custom trait (interface), and then implemented that trait
103 //@ *for an existing type*. With the hierarchical approach of, e.g., C++ or Java,
104 //@ that's not possible: We cannot make an existing type also inherit from our abstract base class
105 //@ after the fact.
106 //@ 
107 //@ In case you are worried about performance, note that Rust performs *monomorphisation*
108 //@ of generic functions: When you call `vec_min` with `T` being `i32`, Rust essentially goes
109 //@ ahead and creates a copy of the function for this particular type, filling in all the blanks.
110 //@ In this case, the call to `T::min` will become a call to our implementation *statically*. There
111 //@ is no dynamic dispatch, like there would be for Java interface methods or C++ `virtual` methods.
112 //@ This behavior is similar to C++ templates. The optimizer (Rust is using LLVM) then has all the
113 //@ information it could want to, e.g., inline function calls.
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115 // ## Trait implementations
116 // To make `vec_min` usable with a `Vec<i32>`, we implement the `Minimum` trait for `i32`.
117 impl Minimum for i32 {
118     fn min(self, b: Self) -> Self {
119         if self < b { self } else { b }                             /*@*/
120     }
121 }
122
123 // We again provide a `print` function.
124 //@ This also shows that we can have multiple `impl` blocks for the same type (remember that
125 //@ `NumberOrNothing` is just a type alias for `SomethingOrNothing<i32>`), and we can provide some
126 //@ methods only for certain instances of a generic type.
127 impl NumberOrNothing {
128     pub fn print(self) {
129         match self {
130             Nothing => println!("The number is: <nothing>"),
131             Something(n) => println!("The number is: {}", n),
132         };
133     }
134 }
135
136 // Now we are ready to run our new code. Remember to change `main.rs` appropriately.
137 //@ Rust figures out automatically that we want the `T` of `vec_min` to be `i32`, and
138 //@ that `i32` implements `Minimum` and hence all is good.
139 fn read_vec() -> Vec<i32> {
140     vec![18,5,7,3,9,27]
141 }
142 pub fn main() {
143     let vec = read_vec();
144     let min = vec_min(vec);
145     min.print();
146 }
147
148 //@ If this printed `3`, then your generic `vec_min` is working! So get ready for the next part.
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150 // **Exercise 02.1**: Change your program such that it computes the minimum of a `Vec<f32>` (where
151 // `f32` is the type // of 32-bit floating-point numbers). You should not change `vec_min` in any
152 // way, obviously!
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154 //@ [index](main.html) | [previous](part01.html) | [raw source](workspace/src/part02.rs) |
155 //@ [next](part03.html)