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[rust-101.git] / src / part05.rs
1 // Rust-101, Part 05: Clone
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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.
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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>, // least significant digit first, no trailing zeros
25 }
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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     }
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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     }
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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 ...`: We completely own `v`, but Rust
52     // still asks us to make our intention of modifying it explicit. This `mut` is *not* part of the
53     // type of `from_vec` - the caller has to give up ownership of `v` anyway, so they don't care anymore
54     // what you do to it.
55     // 
56     // **Exercise 05.1**: Implement this function.
57     // 
58     // *Hint*: You can use `pop` to remove the last element of a vector.
59     pub fn from_vec(mut v: Vec<u64>) -> Self {
60         unimplemented!()
61     }
62 }
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64 // ## Cloning
65 //@ If you have a close look at the type of `BigInt::from_vec`, you will notice that it
66 //@ consumes the vector `v`. The caller hence loses access to its vector. There is however something
67 //@ we can do if we don't want that to happen: We can explicitly `clone` the vector,
68 //@ which means that a full (or *deep*) copy will be performed. Technically,
69 //@ `clone` takes a borrowed vector, and returns a fully owned one.
70 fn clone_demo() {
71     let v = vec![0,1 << 16];
72     let b1 = BigInt::from_vec((&v).clone());
73     let b2 = BigInt::from_vec(v);
74 }
75 //@ Rust has special treatment for methods that borrow its `self` argument (like `clone`, or
76 //@ like `test_invariant` above): It is not necessary to explicitly borrow the receiver of the
77 //@ method. Hence you could replace `(&v).clone()` by `v.clone()` above. Just try it!
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79 //@ To be clonable is a property of a type, and as such, naturally expressed with a trait.
80 //@ In fact, Rust already comes with a trait `Clone` for exactly this purpose. We can hence
81 //@ make our `BigInt` clonable as well.
82 impl Clone for BigInt {
83     fn clone(&self) -> Self {
84         BigInt { data: self.data.clone() }                          /*@*/
85     }
86 }
87 //@ Making a type clonable is such a common exercise that Rust can even help you doing it:
88 //@ If you add `#[derive(Clone)]` right in front of the definition of `BigInt`, Rust will
89 //@ generate an implementation of `Clone` that simply clones all the fields. Try it!
90 //@ These `#[...]` annotations at types (and functions, modules, crates) are called *attributes*.
91 //@ We will see some more examples of attributes later.
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93 // We can also make the type `SomethingOrNothing<T>` implement `Clone`. 
94 //@ However, that can only work if `T` is `Clone`! So we have to add this bound to `T` when we introduce
95 //@ the type variable.
96 use part02::{SomethingOrNothing,Something,Nothing};
97 impl<T: Clone> Clone for SomethingOrNothing<T> {
98     fn clone(&self) -> Self {
99         match *self {                                               /*@*/
100             Nothing => Nothing,                                     /*@*/
101             //@ In the second arm of the match, we need to talk about the value `v`
102             //@ that's stored in `self`. However, if we would write the pattern as
103             //@ `Something(v)`, that would indicate that we *own* `v` in the code
104             //@ after the arrow. That can't work though, we have to leave `v` owned by
105             //@ whoever called us - after all, we don't even own `self`, we just borrowed it.
106             //@ By writing `Something(ref v)`, we borrow `v` for the duration of the match
107             //@ arm. That's good enough for cloning it.
108             Something(ref v) => Something(v.clone()),               /*@*/
109         }                                                           /*@*/
110     }
111 }
112 //@ Again, Rust will generate this implementation automatically if you add
113 //@ `#[derive(Clone)]` right before the definition of `SomethingOrNothing`.
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115 // **Exercise 05.2**: Write some more functions on `BigInt`. What about a function that returns the number of
116 // digits? The number of non-zero digits? The smallest/largest digit? Of course, these should all just borrow `self`.
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118 // ## Mutation + aliasing considered harmful (part 2)
119 //@ Now that we know how to borrow a part of an `enum` (like `v` above), there's another example for why we
120 //@ have to rule out mutation in the presence of aliasing. First, we define an `enum` that can hold either
121 //@ a number, or a string.
122 enum Variant {
123     Number(i32),
124     Text(String),
125 }
126 //@ Now consider the following piece of code. Like above, `n` will be a borrow of a part of `var`,
127 //@ and since we wrote `ref mut`, the borrow will be mutable. In other words, right after the match, `ptr`
128 //@ points to the number that's stored in `var`, where `var` is a `Number`. Remember that `_` means
129 //@ "we don't care".
130 fn work_on_variant(mut var: Variant, text: String) {
131     let mut ptr: &mut i32;
132     match var {
133         Variant::Number(ref mut n) => ptr = n,
134         Variant::Text(_) => return,
135     }
136     /* var = Variant::Text(text); */                                /* BAD! */
137     *ptr = 1337;
138 }
139 //@ Now, imagine what would happen if we were permitted to also mutate `var`. We could, for example,
140 //@ make it a `Text`. However, `ptr` still points to the old location! Hence `ptr` now points somewhere
141 //@ into the representation of a `String`. By changing `ptr`, we manipulate the string in completely
142 //@ unpredictable ways, and anything could happen if we were to use it again! (Technically, the first field
143 //@ of a `String` is a pointer to its character data, so by overwriting that pointer with an integer,
144 //@ we make it a completely invalid address. When the destructor of `var` runs, it would try to deallocate
145 //@ that address, and Rust would eat your laundry - or whatever.)
146 //@ 
147 //@ I hope this example clarifies why Rust has to rule out mutation in the presence of aliasing *in general*,
148 //@ not just for the specific case of a buffer being reallocated, and old pointers becoming hence invalid.
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