Rust中的编程范式：命令式和函数式编程范式

coding到灯火阑珊发表于 6月以前 | 总阅读数：289 次

Rust是一种多范式编程语言，支持命令式、面向对象和函数式编程风格。风格的选择通常取决于开发人员的背景和他们要解决的具体问题。

随着Rust吸引了来自C++、Java、Python和Haskell等不同背景的开发人员，它已经形成了自己独特的风格和习惯用法。这种多样性是一种优势，但它也会导致在不同场景中使用哪种风格的不确定性。

Rust当然受到面向对象编程概念的影响，将它与其他面向对象语言区分开来的一个因素是它基于组合的特性，而不是基于继承的特性。它的Trait系统是面向对象设计的核心组成部分，这是C++和Java等语言所没有的概念。

类似地，Rust的设计也与函数式编程原则紧密结合：不变性、迭代器模式、代数数据类型和模式匹配等。

正如Rust采用某些面向对象的原则而不是纯粹的面向对象语言一样，它同样包含函数式编程概念而不是纯粹的函数式语言。

本文探讨了在Rust中选择不同范式时的个人决策过程，提供了一些关于在Rust中使用不同范式的指导，特别是对于从其他语言过渡过来的开发人员。

一个小例子

在Rust中使用简单的for循环并没有错。

let mut sum = 0;
for i in 0..10 {
    sum += i;
}

即使在这样一个简短的示例中，我们也可以看到我们试图解决的问题与我们编写的代码之间的差异：我们不关心sum的中间值，只关心最后的结果。

将其与功能更强大的版本进行比较：

let sum: u32 = (0..10).sum();

在像这样的小示例中，这可能无关紧要，但是当我们开始使用嵌套循环时，我们看到在命令式方法中，更多的行专门用于临时记录，这会导致代码的复杂性增加(我们自己引入的不必要的复杂性)。复杂性，无论多小，都会耗费注意力。

一个更大的例子：嵌套循环

让我们看一个稍微大一点的例子，假设我们有一个编程语言的列表，包含它们支持的编程范式列表，以及每种语言的用户数量。我们的任务是找到支持函数式编程并且拥有最多用户的前五种语言。

let languages = vec![
    Language::new("Rust", vec![Paradigm::Functional, Paradigm::ObjectOriented], 100_000),
    Language::new("Go", vec![Paradigm::ObjectOriented], 200_000),
    Language::new("Haskell", vec![Paradigm::Functional], 5_000),
    Language::new("Java", vec![Paradigm::ObjectOriented], 1_000_000),
    Language::new("C++", vec![Paradigm::ObjectOriented], 1_000_000),
    Language::new("Python", vec![Paradigm::ObjectOriented, Paradigm::Functional], 1_000_000),
];

下面是一个使用嵌套for循环的解决方案：

// 过滤语言，只保留支持函数式编程的语言
let mut functional_languages = vec![];
for language in languages {
    if language.paradigms.contains(&Paradigm::Functional) {
        functional_languages.push(language);
    }
}

// 按用户数量降序对函数式语言进行排序
for i in 1..functional_languages.len() {
    let mut j = i;
    while j > 0 && functional_languages[j].users > functional_languages[j - 1].users {
        functional_languages.swap(j, j - 1);
        j -= 1;
    }
}

// 只保留前5种编程语言
while functional_languages.len() > 5 {
    functional_languages.pop();
}

这是一个非常冗长、命令式的解决方案。我们就地改变矢量，并在此过程中破坏中间结果。虽然这是正确的，但我认为它不是最地道的Rust代码。

在实践中，你可能会从标准库中的适配器获取更多的帮助：

let mut top_languages = vec![];
for language in languages {
    if language.paradigms.contains(&Paradigm::Functional) {
        top_languages.push(language);
    }
}

// 把我们的语言按流行程度降序排序
// 这一行在本质上已经有点函数式了
top_languages.sort_by_key(|lang| std::cmp::Reverse(lang.users));

top_languages.truncate(5);

我们不妨在过滤时更简洁一点：

let top_languages: Vec<Language> = languages
    .iter()
    // 只保留函数式语言
    .filter(|language| language.paradigms.contains(&Paradigm::Functional))
    // Sort our languages in descending order of popularity.
    .sorted_by_key(|lang| Reverse(lang.users))
    // 只保留前5种语言
    .take(5)
    // 将结果收集到一个新的向量中
    .collect();

对整个列表进行排序(即使经过过滤)，只提取前5个元素似乎有些低效。这突出了Rust与C++相比的一个限制，C++在其标准库中提供了一个partial_sort函数。虽然Rust在std中没有等价的，但有第三方的crate。或者，也可以使用BinaryHeap。

这样做有几个原因：

可读性：步骤清晰
库支持：Rust标准库和外部crate为迭代器提供了许多有用的组合，它们可以很好地处理不可变数据结构。
效率：在底层，map和filter这样的方法创建了新的迭代器，这些迭代器操作前一个迭代器，并且不会产生任何分配。实际的计算只在最后一个迭代器被使用时执行，在本例中是由collect方法执行。collect方法进行一次分配，将结果存储在一个新向量中。我们的高级抽象不会产生运行时开销。
并行**性：**函数式方法适合并行计算。每个操作链都是独立的，允许它们在现代硬件上同时执行。