26、Rust 编程：利用特性与并行库优化代码

Rust 编程：利用特性与并行库优化代码

1. 利用特性赋予接口原生感

在 Rust 编程中，我们可以通过一系列步骤来构建一个基于特性（traits）的程序，使代码具有更好的解耦性和灵活性。

1.1 定义特性

在定义特性之前，我们需要明确程序中不同角色的类型和行为，主要包括以下几种角色：
- 患者（Patient）：没有临床技能，但会接受医疗操作。
- 护士（Nurse）：具备临床技能，但不能开处方或诊断。
- 执业护士（Nurse Practitioner）：具备临床技能，可以开处方，但不能诊断。
- 高级执业护士（Advanced Nurse Practitioner）：具备临床技能，能开处方和诊断。
- 医生（Doctor）：具备临床技能，能开处方和诊断。

基于这些角色，我们可以在 traits.rs 文件中定义以下特性：

// 定义说话特性
pub trait Speak {
    fn introduce(&self) -> ();
}

// 定义临床技能特性
pub trait ClinicalSkills {
    fn can_prescribe(&self) -> bool {
        return false
    }
    fn can_diagnose(&self) -> bool {
        return false
    }
    fn can_administer_medication(&self) -> bool {
        return true
    }
}

// 定义高级医疗特性
pub trait AdvancedMedical {}

// 定义患者角色特性
pub trait PatientRole {
    fn get_name(&self) -> String;
}

1.2 用特性定义结构体行为

在 people.rs 文件中，我们需要导入之前定义的特性，然后定义不同角色的结构体，并为这些结构体实现相应的特性：

// 导入特性
use super::traits;
use traits::{Speak, ClinicalSkills, AdvancedMedical, PatientRole};

// 定义患者结构体
pub struct Patient {
    pub name: String
}

// 定义护士结构体
pub struct Nurse {
    pub name: String
}

// 定义执业护士结构体
pub struct NursePractitioner {
    pub name: String
}

// 定义高级执业护士结构体
pub struct AdvancedNursePractitioner {
    pub name: String
}

// 定义医生结构体
pub struct Doctor {
    pub name: String
}

// 为患者结构体实现说话特性
impl Speak for Patient {
    fn introduce(&self) {
        println!("hello I'm a Patient and my name is {}", self.name);
    }
}

// 为护士结构体实现说话特性
impl Speak for Nurse {
    fn introduce(&self) {
        println!("hello I'm a Nurse and my name is {}", self.name);
    }
}

// 为执业护士结构体实现说话特性
impl Speak for NursePractitioner {
    fn introduce(&self) {
        println!("hello I'm a Practitioner and my name is {}", self.name);
    }
}

// 为患者结构体实现患者角色特性
impl PatientRole for Patient {
    fn get_name(&self) -> String {
        return self.name.clone()
    }
}

// 为护士结构体实现临床技能特性
impl ClinicalSkills for Nurse {}

// 为执业护士结构体实现临床技能特性，并覆盖 can_prescribe 方法
impl ClinicalSkills for NursePractitioner {
    fn can_prescribe(&self) -> bool {
        return true
    }
}

// 为高级执业护士结构体实现高级医疗特性
impl AdvancedMedical for AdvancedNursePractitioner {}

// 为医生结构体实现高级医疗特性
impl AdvancedMedical for Doctor {}

// 为实现了 AdvancedMedical 特性的类型实现 ClinicalSkills 特性
impl<T> ClinicalSkills for T where T: AdvancedMedical {
    fn can_prescribe(&self) -> bool {
        return true
    }
    fn can_diagnose(&self) -> bool {
        return true
    }
}

通过以上步骤，我们为不同角色的结构体赋予了相应的行为，并且利用特性实现了代码的解耦。

1.3 特性在函数中的传递

在 actions.rs 文件中，我们可以定义一些函数，让具有不同特性的结构体在这些函数中执行相应的操作，例如收治患者、诊断患者、开处方、给药和出院等操作：

// 导入特性
use super::traits;
use traits::{ClinicalSkills, AdvancedMedical, PatientRole};

// 收治患者函数
pub fn admit_patient<Y: ClinicalSkills>(
    patient: &Box<dyn PatientRole>, _clinician: &Y) {
    println!("{} is being admitted", patient.get_name());
}

// 诊断患者函数
pub fn diagnose_patient<Y: AdvancedMedical>(
    patient: &Box<dyn PatientRole>, _clinician: &Y) {
    println!("{} is being diagnosed", patient.get_name());
}

// 开处方函数
pub fn prescribe_meds<Y: ClinicalSkills>(
    patient: &Box<dyn PatientRole>, clinician: &Y) {
    if clinician.can_prescribe() {
        println!("{} is being prescribed medication", patient.get_name());
    } else {
        panic!("clinician cannot prescribe medication");
    }
}

// 给药函数
pub fn administer_meds<Y: ClinicalSkills>(
    patient: &Box<dyn PatientRole>, _clinician: &Y) {
    println!("{} is having meds administered", patient.get_name());
}

// 出院函数
pub fn discharge_patient<Y: ClinicalSkills>(
    patient: &Box<dyn PatientRole>, _clinician: &Y) {
    println!("{} is being discharged", patient.get_name());
}

这些函数通过泛型参数来接受具有特定特性的结构体，从而实现了不同角色在不同操作中的灵活调用。

1.4 存储具有共同特性的结构体

在 objects.rs 文件中，我们可以定义一个 PatientList 结构体，用于存储具有 PatientRole 特性的患者结构体：

// 导入特性
use super::traits;
use traits::PatientRole;

// 定义患者列表结构体
pub struct PatientList {
    pub patients: Vec<Box<dyn PatientRole>>
}

这里使用 Box<dyn PatientRole> 是因为我们在编译时不知道结构体的具体大小，而 Box 是堆上的指针，我们可以通过指针来管理不同大小的结构体。

1.5 在主文件中运行特性代码

在 main.rs 文件中，我们可以将之前定义的结构体和函数组合起来，运行整个程序：

// 导入模块和类型
mod traits;
mod objects;
mod people;
mod actions;
use people::{Patient, Nurse, Doctor};
use objects::PatientList;
use actions::{admit_patient, diagnose_patient, prescribe_meds, administer_meds, discharge_patient};

fn main() {
    // 定义医生和护士
    let doctor = Doctor{name: String::from("Torath")};
    let doctor_two = Doctor{name: String::from("Sergio")};
    let nurse = Nurse{name: String::from("Maxwell")};
    let nurse_two = Nurse{name: String::from("Nathan")};

    // 定义患者列表
    let patient_list = PatientList {
        patients: vec![
            Box::new(Patient{name: String::from("pestilence")}),
            Box::new(Patient{name: String::from("war")}),
            Box::new(Patient{name: String::from("famine")}),
            Box::new(Patient{name: String::from("death")})
        ]
    };

    // 遍历患者列表，执行相应操作
    for i in patient_list.patients {
        admit_patient(&i, &nurse);
        diagnose_patient(&i, &doctor);
        prescribe_meds(&i, &doctor_two);
        administer_meds(&i, &nurse_two);
        discharge_patient(&i, &nurse);
    }
}

运行上述代码，我们可以看到不同患者的收治、诊断、开处方、给药和出院信息被打印出来。

2. 使用 Rayon 简化数据并行处理

在处理一些计算密集型任务时，我们可以使用 rayon 库来实现数据并行处理，从而提高程序的性能。

2.1 配置 rayon 库

首先，我们需要在 Cargo.toml 文件中添加 rayon 库的依赖：

[dependencies]
rayon = "1.5.1"

2.2 在代码中使用 rayon 库

在 main.rs 文件中，我们可以导入 rayon 库，并使用它来并行计算斐波那契数列：

// 导入 rayon 库
extern crate rayon;
use rayon::prelude::*;

// 定义斐波那契数列递归函数
pub fn fibonacci_reccursive(n: i32) -> u64 {
    match n {
        1 | 2 => 1,
        _ => fibonacci_reccursive(n - 1) + fibonacci_reccursive(n - 2)
    }
}

fn main() {
    // 定义输入数字向量
    let numbers: Vec<u64> = vec![6, 7, 8, 9, 10].into_par_iter()
       .map(|x| fibonacci_reccursive(x))
       .collect();
    // 打印结果
    println!("{:?}", numbers);
}

在上述代码中，我们使用 into_par_iter() 方法将标准向量转换为并行迭代器，然后使用 map() 方法将斐波那契函数应用到每个元素上，最后使用 collect() 方法收集结果。

需要注意的是，并行处理有一定的开销，如果处理的数据量较小，普通循环可能会更快。但随着数据量的增加， rayon 库的优势会逐渐显现出来。

通过以上内容，我们介绍了如何利用 Rust 的特性来构建解耦和灵活的代码，以及如何使用 rayon 库来简化数据并行处理，这些技巧可以帮助我们更好地开发 Rust 程序。

3. 特性与并行处理的优势总结

通过上述利用特性和 rayon 库进行编程的实践，我们可以总结出以下优势：

优势类型	具体描述
代码解耦	利用特性可以将不同的行为抽象出来，使得结构体和行为之间的耦合度降低。例如，不同角色的结构体可以根据需要实现不同的特性，而不需要在结构体内部硬编码行为。
灵活性	特性允许我们在不同的结构体之间共享行为，并且可以在不修改结构体定义的情况下为其添加新的行为。例如，当需要为某个角色添加新的技能时，只需要为其实现相应的特性即可。
并行处理	rayon 库提供了简单易用的接口，使得我们可以轻松实现数据并行处理，提高程序的性能。特别是在处理大规模数据时，并行处理可以显著缩短计算时间。

4. 实际应用场景分析

在实际的编程中，我们可以将上述技巧应用到各种场景中，以下是一些具体的示例：

4.1 医疗管理系统

在医疗管理系统中，我们可以使用特性来定义不同角色的行为，如医生、护士和患者。同时，使用 PatientList 结构体来管理患者信息，通过特性在函数中传递不同角色，实现患者的收治、诊断、治疗等操作。以下是一个简单的流程图，展示了患者在系统中的处理流程：

graph LR
    A[患者入院] --> B[护士收治]
    B --> C[医生诊断]
    C --> D[医生开处方]
    D --> E[护士给药]
    E --> F[患者出院]

4.2 计算密集型任务

对于一些计算密集型任务，如矩阵运算、图像处理等，我们可以使用 rayon 库来实现并行计算，提高程序的性能。例如，在计算斐波那契数列时，使用并行迭代器可以同时计算多个数字的斐波那契值，从而加快计算速度。

5. 总结与建议

通过本文的学习，我们了解了如何利用 Rust 的特性来构建解耦和灵活的代码，以及如何使用 rayon 库来简化数据并行处理。以下是一些总结和建议：

• 特性的使用 ：特性是 Rust 中非常强大的工具，它可以帮助我们实现代码的解耦和复用。在编写代码时，我们应该尽量将不同的行为抽象成特性，然后为结构体实现这些特性。
• 并行处理的权衡 ：虽然 rayon 库可以提高程序的性能，但并行处理也有一定的开销。在使用并行处理时，我们需要根据数据量的大小来权衡是否使用并行处理。如果数据量较小，普通循环可能会更快。
• 持续学习 ：Rust 是一门不断发展的语言，我们应该持续学习和掌握新的特性和技巧，以提高我们的编程水平。

通过不断实践和探索，我们可以更好地利用 Rust 的优势，开发出高效、可靠的程序。