Rust入门系列：15、Rust中的项目、包和模块

  • Louis
  • 更新于 2024-07-07 11:24
  • 阅读 469

当工程规模变大时，把代码写到一个甚至几个文件中，都是不太聪明的做法，可能存在以下问题：单个文件过大，导致打开、翻页速度大幅变慢查询和定位效率大幅降低，只有有效的组织代码才能更好的维护代码

包和模块的基本概念

当工程规模变大时，把代码写到一个甚至几个文件中，都是不太聪明的做法，可能存在以下问题：

  1. 单个文件过大，导致打开、翻页速度大幅变慢
  2. 查询和定位效率大幅降低，类比下，你会把所有知识内容放在一个几十万字的文档中吗？
  3. 只有一个代码层次：函数，难以维护和协作，想象一下你的操作系统只有一个根目录，剩下的都是单层子目录会如何：disaster
  4. 容易滋生 Bug

同时，将大的代码文件拆分成包和模块，还允许我们实现代码抽象和复用：将你的代码封装好后提供给用户，那么用户只需要调用公共接口即可，无需知道内部该如何实现。

因此，跟其它语言一样，Rust 也提供了相应概念用于代码的组织管理：

包和Package

事实上，在真实的项目中，远比我们之前的 cargo new 的默认目录结构要复杂，好在，Rust为我们提供了强大的包管理工具：

  • 项目(Package) ：可以用来构建、测试和分享包
  • 工作空间(WorkSpace)：对于大型项目，可以进一步将多个包联合在一起，组织成工作空间
  • 包(Crate) ：一个由多个模块组成的树形结构，可以作为三方库进行分发，也可以生成可执行文件进行运行
  • 模块(Module) ：可以一个文件多个模块，也可以一个文件一个模块，模块可以被认为是真实项目中的代码组织单元

其实项目 Package 和包 Crate 很容易被搞混，甚至在很多书中，这两者都是不分的，但是由于官方对此做了明确的区分，因此我们会在本节中试图(挣扎着)理清这个概念。

包 Crate

对于 Rust 而言，包是一个独立的可编译单元，它编译后会生成一个可执行文件或者一个库。

一个包会将相关联的功能打包在一起，使得该功能可以很方便的在多个项目中分享。例如标准库中没有提供但是在三方库中提供的 rand 包，它提供了随机数生成的功能，我们只需要将该包通过 use rand; 引入到当前项目的作用域中，就可以在项目中使用 rand 的功能：rand::XXX。

同一个包中不能有同名的类型，但是在不同包中就可以。例如，虽然 rand 包中，有一个 Rng 特征，可是我们依然可以在自己的项目中定义一个 Rng，前者通过 rand::Rng 访问，后者通过 Rng 访问，对于编译器而言，这两者的边界非常清晰，不会存在引用歧义。

项目 Package

鉴于 Rust 团队标新立异的起名传统，以及包的名称被 crate 占用，库的名称被 library 占用，经过斟酌， 我们决定将 Package 翻译成项目，你也可以理解为工程、软件包。

由于 Package 就是一个项目，因此它包含有独立的 Cargo.toml 文件，以及因为功能性被组织在一起的一个或多个包。一个 Package 只能包含一个库(library)类型的包，但是可以包含多个二进制可执行类型的包。

二进制 Package

让我们来创建一个二进制的Package:

$ cargo new my-project
     Created binary (application) `my-project` package
$ ls my-project
Cargo.toml
src
$ ls my-project/src
main.rs

这里，Cargo 为我们创建了一个名称是 my-project 的 Package，同时在其中创建了 Cargo.toml 文件，可以看一下该文件，里面并没有提到 src/main.rs 作为程序的入口，原因是 Cargo 有一个惯例：src/main.rs 是二进制包的根文件，该二进制包的包名跟所属 Package 相同，在这里都是 my-project，所有的代码执行都从该文件中的 fn main() 函数开始。

使用 cargo run 可以运行该项目，输出：Hello, world!。

库 Package

再来创建一个库类型的 Package：

$ cargo new my-lib --lib
     Created library `my-lib` package
$ ls my-lib
Cargo.toml
src
$ ls my-lib/src
lib.rs

首先，如果你试图运行 my-lib，会报错：

$ cargo run
error: a bin target must be available for `cargo run`

原因是库类型的 Package 只能作为三方库被其它项目引用，而不能独立运行，只有之前的二进制 Package 才可以运行。

与 src/main.rs 一样，Cargo 知道，如果一个 Package 包含有 src/lib.rs，意味它包含有一个库类型的同名包 my-lib，该包的根文件是 src/lib.rs。

容易混淆的Package和包

看完上面，相信大家看出来为何 Package 和包容易被混淆了吧？因为你用 cargo new 创建的 Package 和它其中包含的包是同名的！

不过，只要你牢记 Package 是一个项目工程，而包只是一个编译单元，基本上也就不会混淆这个两个概念了：src/main.rs 和 src/lib.rs 都是编译单元，因此它们都是包。

典型的Package结构

上面创建的 Package 中仅包含 src/main.rs 文件，意味着它仅包含一个二进制同名包 my-project。如果一个 Package 同时拥有 src/main.rs 和 src/lib.rs，那就意味着它包含两个包：库包和二进制包，这两个包名也都是 my-project —— 都与 Package 同名。

一个真实项目中典型的 Package，会包含多个二进制包，这些包文件被放在 src/bin 目录下，每一个文件都是独立的二进制包，同时也会包含一个库包，该包只能存在一个 src/lib.rs：

.
├── Cargo.toml
├── Cargo.lock
├── src
│   ├── main.rs
│   ├── lib.rs
│   └── bin
│       └── main1.rs
│       └── main2.rs
├── tests
│   └── some_integration_tests.rs
├── benches
│   └── simple_bench.rs
└── examples
    └── simple_example.rs
  • 唯一库包：src/lib.rs
  • 默认二进制包：src/main.rs，编译后生成的可执行文件与 Package 同名
  • 其余二进制包：src/bin/main1.rs 和 src/bin/main2.rs，它们会分别生成一个文件同名的二进制可执行文件
  • 集成测试文件：tests 目录下
  • 基准性能测试 benchmark 文件：benches 目录下
  • 项目示例：examples 目录下

这种目录结构基本上是 Rust 的标准目录结构，在 GitHub 的大多数项目上，你都将看到它的身影。

理解了包的概念，我们再来看看构成包的基本单元：模块。

Module

模块。使用模块可以将包中的代码按照功能性进行重组，最终实现更好的可读性及易用性。同时，我们还能非常灵活地去控制代码的可见性，进一步强化 Rust 的安全性。

创建嵌套模块

使用 cargo new --lib restaurant 创建一个小餐馆，注意，这里创建的是一个库类型的 Package，然后将以下代码放入 src/lib.rs 中：

// 餐厅前厅，用于吃饭
mod front_of_house {
    mod hosting {
        fn add_to_waitlist() {}

        fn seat_at_table() {}
    }

    mod serving {
        fn take_order() {}

        fn serve_order() {}

        fn take_payment() {}
    }
}

以上的代码创建了三个模块，有几点需要注意的：

  • 使用 mod 关键字来创建新模块，后面紧跟着模块名称
  • 模块可以嵌套，这里嵌套的原因是招待客人和服务都发生在前厅，因此我们的代码模拟了真实场景
  • 模块中可以定义各种 Rust 类型，例如函数、结构体、枚举、特征等
  • 所有模块均定义在同一个文件中

类似上述代码中所做的，使用模块，我们就能将功能相关的代码组织到一起，然后通过一个模块名称来说明这些代码为何被组织在一起。这样其它程序员在使用你的模块时，就可以更快地理解和上手。

模块树

crate
 └── front_of_house
     ├── hosting
     │   ├── add_to_waitlist
     │   └── seat_at_table
     └── serving
         ├── take_order
         ├── serve_order
         └── take_payment

这颗树展示了模块之间彼此的嵌套关系，因此被称为模块树。其中 crate 包根是 src/lib.rs 文件，包根文件中的三个模块分别形成了模块树的剩余部分。

父子模块

如果模块 A 包含模块 B，那么 A 是 B 的父模块，B 是 A 的子模块。在上例中，front_of_house 是 hosting 和 serving 的父模块，反之，后两者是前者的子模块。

聪明的读者，应该能联想到，模块树跟计算机上文件系统目录树的相似之处。不仅仅是组织结构上的相似，就连使用方式都很相似：每个文件都有自己的路径，用户可以通过这些路径使用它们，在 Rust 中，我们也通过路径的方式来引用模块。

用路径引用模块

想要调用一个函数，就需要知道它的路径，在 Rust 中，这种路径有两种形式：

  • 绝对路径，从包根开始，路径名以包名或者 crate 作为开头
  • 相对路径，从当前模块开始，以 self，super 或当前模块的标识符作为开头

让我们继续经营那个惨淡的小餐馆，这次为它实现一个小功能： 文件名：src/lib.rs

mod front_of_house {
    mod hosting {
        fn add_to_waitlist() {}
    }
}

pub fn eat_at_restaurant() {
    // 绝对路径
    crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

    // 相对路径
    front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
}

上面的代码为了简化实现，省去了其余模块和函数，这样可以把关注点放在函数调用上。eat_at_restaurant 是一个定义在包根中的函数，在该函数中使用了两种方式对 add_to_waitlist 进行调用。

因为 eat_at_restaurant 和 add_to_waitlist 都定义在一个包中，因此在绝对路径引用时，可以直接以 crate 开头，然后逐层引用，每一层之间使用 :: 分隔：

crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

对比下之前的模块树：

crate
 └── eat_at_restaurant
 └── front_of_house
     ├── hosting
     │   ├── add_to_waitlist
     │   └── seat_at_table
     └── serving
         ├── take_order
         ├── serve_order
         └── take_payment

可以看出，绝对路径的调用，完全符合了模块树的层级递进，非常符合直觉，如果类比文件系统，就跟使用绝对路径调用可执行程序差不多：/front_of_house/hosting/add_to_waitlist，使用 crate 作为开始就和使用 / 作为开始一样。

再回到模块树中，因为 eat_at_restaurant 和 front_of_house 都处于包根 crate 中，因此相对路径可以使用 front_of_house 作为开头：

front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

如果类比文件系统，那么它类似于调用同一个目录下的程序，你可以这么做：front_of_house/hosting/add_to_waitlist，嗯也很符合直觉。

使用绝对还是相对？

如果只是为了引用到指定模块中的对象，那么两种都可以，但是在实际使用时，需要遵循一个原则：当代码被挪动位置时，尽量减少引用路径的修改，相信大家都遇到过，修改了某处代码，导致所有路径都要挨个替换，这显然不是好的路径选择。

回到之前的例子，如果我们把 front_of_house 模块和 eat_at_restaurant 移动到一个模块中 customer_experience，那么绝对路径的引用方式就必须进行修改：crate::customer_experience::front_of_house ...，但是假设我们使用的相对路径，那么该路径就无需修改，因为它们两个的相对位置其实没有变：

crate
 └── customer_experience
    └── eat_at_restaurant
    └── front_of_house
        ├── hosting
        │   ├── add_to_waitlist
        │   └── seat_at_table

从新的模块树中可以很清晰的看出这一点。

代码可见性

让我们运行下面(之前)的代码：

mod front_of_house {
    mod hosting {
        fn add_to_waitlist() {}
    }
}

pub fn eat_at_restaurant() {
    // 绝对路径
    crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

    // 相对路径
    front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
}

意料之外的报错了，毕竟看上去确实很简单且没有任何问题：

error[E0603]: module `hosting` is private
 --> src/lib.rs:9:28
  |
9 |     crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
  |                            ^^^^^^^ private module

错误信息很清晰：hosting 模块是私有的，无法在包根进行访问，那么为何 front_of_house 模块就可以访问？因为它和 eat_at_restaurant 同属于一个包根作用域内，同一个模块内的代码自然不存在私有化问题(所以我们之前章节的代码都没有报过这个错误！)。

模块不仅仅对于组织代码很有用，它还能定义代码的私有化边界：在这个边界内，什么内容能让外界看到，什么内容不能，都有很明确的定义。因此，如果希望让函数或者结构体等类型变成私有化的，可以使用模块。

Rust 出于安全的考虑，默认情况下，所有的类型都是私有化的，包括函数、方法、结构体、枚举、常量，是的，就连模块本身也是私有化的。

pub关键字

类似其它语言的 public 或者 Go 语言中的首字母大写，Rust 提供了 pub 关键字，通过它你可以控制模块和模块中指定项的可见性。

由于之前的解释，我们知道了只需要将 hosting 模块标记为对外可见即可：

mod front_of_house {
    pub mod hosting {
        fn add_to_waitlist() {}
    }
}

/*--- snip ----*/

但是不幸的是，又报错了：

error[E0603]: function `add_to_waitlist` is private
  --> src/lib.rs:12:30
   |
12 |     front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
   |                              ^^^^^^^^^^^^^^^ private function

哦？难道模块可见还不够，还需要将函数 add_to_waitlist 标记为可见的吗？ 是的，没错，模块可见性不代表模块内部项的可见性，模块的可见性仅仅是允许其它模块去引用它，但是想要引用它内部的项，还得继续将对应的项标记为 pub。

在实际项目中，一个模块需要对外暴露的数据和 API 往往就寥寥数个，如果将模块标记为可见代表着内部项也全部对外可见，那你是不是还得把那些不可见的，一个一个标记为 private？反而是更麻烦的多。

既然知道了如何解决，那么我们为函数也标记上 pub：

mod front_of_house {
    pub mod hosting {
        pub fn add_to_waitlist() {}
    }
}

/*--- snip ----*/

顺利通过编译，感觉自己又变强了。

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