Rust 定義與實例化結構體

結構體（struct）是Rust中組織和封裝相關數據的核心工具。它通過命名字段將不同類型的數據組合成一個有意義的整體，提供比元組更清晰的語義和更強的類型安全性。本章將深入探討結構體的定義、實例化及高級技巧。

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5.1 結構體的定義與意義

結構體使用 struct 關鍵字定義，包含字段名和類型聲明：

struct User {  active: bool,  username: String,  email: String,  sign_in_count: u64,  
}  

核心特點：

1. 語義明確性：字段名（如 username）直接描述數據含義，避免了元組依賴位置索引的歧義性。
2. 類型安全：每個字段類型在編譯時確定，確保內存安全。
3. 靈活性：實例化時字段順序無需與定義一致。

與元組的對比：

特性	結構體	元組
字段訪問	點運算符（user.email）	索引（user.1）
可讀性	高（命名字段）	低（依賴位置）
類型組合	支持異構類型	支持異構類型

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5.2 結構體實例化

5.2.1 基本實例化

通過鍵值對為字段賦值：

let user1 = User {  email: String::from("alice@example.com"),  username: String::from("alice92"),  active: true,  sign_in_count: 1,  
};  

5.2.2 可變性規則

• 整體可變：使用 mut 聲明整個實例可變，所有字段均可修改：

  let mut user1 = User { /* ... */ };  
  user1.email = String::from("new_email@example.com"); // 合法修改  
  

• 禁止部分可變：Rust不支持單獨標記某個字段可變（如 mut username）。

5.2.3 字段初始化簡寫

當變量名與字段名相同時，可省略重復賦值：

fn build_user(email: String, username: String) -> User {  User {  email,    // 等價于 email: email  username, // 等價于 username: username  active: true,  sign_in_count: 1,  }  
}  

此語法減少冗余代碼，提升可讀性。

5.2.4 結構體更新語法

使用 .. 從現有實例復制未顯式賦值的字段：

let user2 = User {  email: String::from("bob@example.com"),  ..user1 // 復制user1的其余字段  
};  

注意事項：

1. ..user1 必須置于末尾。
2. 所有權轉移：若復制的字段包含所有權類型（如 String），原實例的對應字段將失效：

   println!("{}", user1.username); // ? 錯誤！所有權已轉移至user2  
   println!("{}", user1.active);   // ? 安全（bool實現Copy）  
   

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5.3 特殊結構體類型

5.3.1 元組結構體（Tuple Struct）

定義時僅聲明字段類型，無字段名：

struct Color(i32, i32, i32);  
struct Point(i32, i32, i32);  let black = Color(0, 0, 0);  
let origin = Point(0, 0, 0);  

特點：

• 類型區分：Color 和 Point 是不同類型，即使字段類型相同。
• 訪問方式：通過索引（如 black.0）或解構（let Color(r, g, b) = black;）訪問字段。

5.3.2 類單元結構體（Unit-Like Struct）

無任何字段的結構體：

struct AlwaysEqual;  
let subject = AlwaysEqual;  

應用場景：

• 實現 trait 但無需存儲數據（如標記類型）。
• 泛型編程中的占位符。

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5.4 結構體的所有權與生命周期

5.4.1 所有權規則

結構體默認擁有所有字段的所有權：

struct User {  username: String, // 擁有數據所有權  email: String,  // ...  
}  

優勢：結構體失效時自動釋放所有字段，避免內存泄漏。

5.4.2 引用字段與生命周期

若需在結構體中存儲引用，必須使用生命周期注解：

struct UserBorrowed<'a> {  username: &'a str, // 引用外部數據  email: &'a str,  
}  

要求：引用的數據（如 String 變量）必須比結構體實例存活更久，否則導致懸垂引用。

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5.5 最佳實踐與常見場景

1. 數據封裝：將關聯數據（如用戶信息）組合為結構體，提升代碼可讀性。
2. 類型安全抽象：用獨立結構體區分語義不同的數據類型（如 UserId(u64) 和 OrderId(u64)）。
3. 構建模式：通過構造函數（如 User::new()）封裝實例化邏輯。

下一章將涵蓋結構體方法（impl 塊）和關聯函數，進一步擴展結構體的行為建模能力。

5.6 應用示例

struct User {username: String,email: String,sign_in_count: u64,active: bool,
}fn main() {let user1 = User {email: String::from("someone@example.com"),username: String::from("someusername123"),active: true,sign_in_count: 1,};println!("User 1: {} ({})", user1.username, user1.email);println!("Active: {}, Sign-in count: {}", user1.active, user1.sign_in_count);
}

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代碼示例均通過 Rust 1.78 編譯測試。深入實踐可參考 The Rust Book 。