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淺聊泛型常量參數(shù)

jf_wN0SrCdH ? 來源:Rust語言中文社區(qū) ? 2023-03-15 13:46 ? 次閱讀

淺聊泛型常量參數(shù)Const Generic

引題

最近有網(wǎng)友私信我討論:若使用規(guī)則宏編譯時統(tǒng)計token tree序列的長度,如何繞開由宏遞歸自身局限性造成的:

  • 被統(tǒng)計序列不能太長
  • 編譯延時顯著拖長
的問題。然后,就貼出了如下的一段例程代碼1:

	
		fn main() { macro_rules! count_tts { ($_a:tt $($tail: tt)*) => { 1_usize + count_tts!($($tail)*) }; () => { 0_usize }; } assert_eq!(10, count_tts!(,,,,,,,,,,)); }
嚯!這段短小精悍的代碼餒餒地演示了Incremental TT Muncher設計模式的精髓。贊!
首先,宏遞歸深度是有極限的(默認是128層)。所以,若每次遞歸僅新統(tǒng)計一個token,那么被統(tǒng)計序列的最大長度自然不能超過128。否則,突破上限,編譯失敗! 其次,尾遞歸優(yōu)化運行時壓縮函數(shù)調用棧的技術手段,卻做不到編譯時抑制調用棧的膨脹。所以,巧用#![recursion_limit="…"]元屬性強制調高宏遞歸深度上限很可能會導致編譯器棧溢出。 由此,如果僅追求快速繞過問題,那最經(jīng)濟實惠的作法是:在每次宏遞歸期間,統(tǒng)計幾個token例程2(而不是一次一個)。從算數(shù)上,將總遞歸次數(shù)降下來,和使計數(shù)更長的token tree序列成為可能。

	
		fn main() { // 這代碼看著就“傻乎乎的”。 macro_rules! count_tts { ($_a: tt $_b: tt $_c: tt $_d: tt $_e: tt $_f: tt // 一次遞歸統(tǒng)計 6 個。 $($tail: tt)*) => { 6_usize + count_tts!($($tail)*) }; ($_a: tt $_b: tt $_c: // 一次遞歸統(tǒng)計 3 個。 tt $($tail: tt)*) => { 3_usize + count_tts!($($tail)*) }; ($_a: tt // 一次遞歸統(tǒng)計 1 個。 $($tail: tt)*) => { 1_usize + count_tts!($($tail)*) }; () => { 0_usize }; // 結束了,統(tǒng)計完成 } println!("token tree 個數(shù)是 {}", count_tts!(,,,,,,,,,,)); }
		倘若要標本兼治地解決問題,將遞歸調用變形成循環(huán)結構才是正途,因為循環(huán)本身不會增加調用棧的深度。這涵蓋了:
  1. 宏循環(huán)結構token tree序列變形成數(shù)組字面量
  2. 常量函數(shù)調用觸發(fā)編譯器對數(shù)組字面量的類型推導
  3. 因為rust數(shù)組在編譯時明確大小,所以數(shù)組長度被編入了數(shù)據(jù)類型定義內。
  4. 泛型常量參數(shù)從數(shù)據(jù)類型定義中提取出數(shù)組長度值,并作為序列長度返回。
全套操作被統(tǒng)稱為Array length設計模式。它帶入了兩個技術難點:
  1. 如何觸發(fā)rustc對數(shù)組字面量的類型推導,和從推導結果中提取出數(shù)組長度信息
  2. 如何撇開遞歸的“吐吞模式”(即,吐Incremental TT Muncher和吞Push-down Accumulation),僅憑宏循環(huán)結構,將token tree序列變形成為數(shù)組字面量。
第一個難點源于自rustc 1.51才穩(wěn)定的新語言特性“泛型常量參數(shù)Const Generic”。而第二個難點的解決就多樣化了
  • 要么,采用“循環(huán)替換設計模式Repetition Replacement(RR)
  • 要么,啟用試驗階段語言特性“元變量表達式Meta-variable Expression
接下來,它們會被逐一地講解分析。

泛型常量參數(shù)

rustc 1.51+起,【泛型常量參數(shù) 】允許泛型項(類或函數(shù))接受常量值或常量表達式為泛型參數(shù)。根據(jù)泛型常量參數(shù)出現(xiàn)的位置不同(請見下圖例程3),它又細分為
  • 泛型常量參數(shù)的
  • 泛型常量參數(shù)的

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下文分別將它們簡稱為“泛型常量形參”與“泛型常量實參”。

泛型參數(shù)的分類

于是,已知的泛型參數(shù)就包含有三種類型:66c7c264-c2f3-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

泛型常量參數(shù)的數(shù)據(jù)類型

可用作【泛型常量參數(shù)】的數(shù)據(jù)類型包括兩類:
  • 整數(shù)數(shù)字類型:u8u16u32u64u128usizei8i16i32i64i128isize
  • 數(shù)字化類型:charbool

泛型常量參數(shù)的“怪癖”

首先,就“同名沖突”而言,若【泛型常量形參】與【類型】同名并作為另一個泛型項的泛型參數(shù)實參,那么rustc會優(yōu)先將該泛型參數(shù)當作類型帶入程序上下文。多數(shù)情況下,這會造成程序編譯失敗。解決方案是使用表達式{...}包裝泛型常量參數(shù),以向rustc標注此同名參數(shù)是泛型常量參數(shù)而不是類型名例程4。

66d7369a-c2f3-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

其次,就“聲明和使用”而言,泛型常量參允許僅被聲明,而不被使用。對另兩種泛型參數(shù)而言,這卻會導致編譯失敗例程5。66e81a0a-c2f3-11ed-bfe3-dac502259ad0.png 最后,泛型常量參的trait實現(xiàn)不會因為窮舉了全部備選形參值而自動過渡給泛型常量參。如下例程6(左),即便泛型項struct Foo顯示地給泛型常量B每個可能的(參)值true / false都實現(xiàn)的同一個trait Bar,編譯器也不會“聰明地”歸納出該trait Bar已經(jīng)被此泛型項的泛型常量參充分實現(xiàn)了,因為編譯器可不會“歸納法”方法論(不確定chatGPT是否能做到?)。相反,每個參上的trait實現(xiàn)都被視作不相關的個例。正確地作法是:泛型項必須明確地給泛型常量參實現(xiàn)trait例程7(右)。

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泛型常量參數(shù)的適用位置

泛型常量參數(shù)原則上可出現(xiàn)于常量項適用的全部位置,包括但不限于:
  • 運行時求值表達式#1— 模糊了編譯時泛型參數(shù)與運行時值之間的界限。
  • 常量表達式#2
  • 關聯(lián)常量#2
  • 關聯(lián)類型#3
  • 結構體字段 或 綁定變量的數(shù)據(jù)類型#4。比如,編譯時參數(shù)化數(shù)組長度。
  • 結構體字段 或 綁定變量的值#5
上述列表內的#1 ~ #5,可在下面例程8源碼內找到對應的代碼行。

	use rand::{thread_rng, Rng}; fn main() { fn foo1<const N1: usize>(input: usize) { // 在泛型函數(shù)內,泛型常量參數(shù)的形參可用于 let sum = 1 + N1 * input; // #1 運行時求值的表達式 let foo = Foo([input; N1]); // #5 結構體字段的值 let arr: [usize; N1] = [input; N1]; // #4 綁定變量的數(shù)據(jù)類型 —— 編譯時參數(shù)化數(shù)組長度 // #5 綁定變量的值 println!("運行時表達式:{sum}, 元組結構體: {foo:?}, 數(shù)組: {arr:?}"); } trait Trait<const N2: usize> { const CONST: usize = N2 + 4; // #2 關聯(lián)常量 + 常量表達式 type Output; } #[derive(Debug)] struct Foo<const N3: usize>( [usize; N3] // #4 結構體字段的數(shù)據(jù)類型 —— 編譯時參數(shù)化數(shù)組長度 ); impl<const N4: usize> Trait for Foo { type Output = [usize; N4]; // #3 關聯(lián)類型 —— 編譯時參數(shù)化數(shù)組長度 } let mut rng = thread_rng(); foo1::<2>(rng.gen_range::<usize, _>(1..10)); foo1::<{1 + 2}>(rng.gen_range::<usize, _>(1..10)); const K: usize = 3; foo1::(rng.gen_range::<usize, _>(1..10)); foo1::<{K * 2}>(rng.gen_range::<usize, _>(1..10)); }

泛型常量參數(shù)的不適用位置

首先,泛型常量參不能:
  • 定義常量靜態(tài)變量,無論是作為類型定義的一部分,還是值#1
  • 隔層使用。比如,在子函數(shù)內引用由外層函數(shù)聲明的泛型常量#2。除了子函數(shù),該規(guī)則也適用于在函數(shù)體內定義的
    • 結構體#3
    • 類型別名#4
上述列表內的#1 ~ #4,可在下面例程9源碼內找到對應的代碼行。

	fn main() { fn outer<const N: usize>(input: usize) { // 泛型常量參數(shù)【不】可用于函數(shù)體內的 // #1 常量定義 // - 既不能定義類型 const BAD_CONST: [usize; N] = [1; N]; // - 既不能定義值 const BAD_CONST: usize = 1 + N; // #1 靜態(tài)變量定義 // - 既不能定義類型 static BAD_STATIC: [usize; N] = [N + 1; N]; // - 既不能定義值 static BAD_STATIC: usize = 1 + N; fn inner(bad_arg: [usize; N]) { // #2 在子函數(shù)內不能引用外層函數(shù)聲明的 // 泛型常量形參,無論是將其作為 // 變量類型,還是常量值。 let bad_value = N * 2; } // #3 結構體內也不能引用外層函數(shù)聲明的 // 泛型常量形參。 struct BadStruct([usize; N]); // 相反,需要給結構體重新聲明泛型常量參數(shù) struct BadStruct<const N: usize>([usize; N]); // #4 類型別名內不能引用外層函數(shù)聲明的 // 泛型常量形參。 type BadAlias = [usize; N]; // 相反,需要給類型別名重新聲明泛型常量參數(shù) type BadAlias<const N: usize> = [usize; N]; } }
		其次,泛型常量接受包含了泛型常量參的常量表達式例程10。

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但是,泛型常量參并不拒絕接受
  • 獨立泛型常量參例程11
  • 包含泛型常量參的普通常量表達式例程12 題外話,不確定這么翻譯該術語lookahead是否正確。我借鑒了 @余晟 在《精通正則表達式》一書中對此詞條的譯文。
    • 被用作泛型常量參的常量表達式必須被包裝在表達式{...}內。避免編譯器在解析AST過程中陷入正向環(huán)視lookahead的無限循環(huán)中。

數(shù)組重復表達式與泛型常量參數(shù)

數(shù)組重復表達式[repeat_operand; length_operand]是數(shù)組字面量的一種形式。在數(shù)組重復表達式中,泛型常量形參
  • 雖然既可用于左repeat操作數(shù)位置,也可用于右length操作數(shù)位置例程13
  • 但在右length操作數(shù)位置上,泛型常量參只能獨立出現(xiàn)例程14,而不能作為常量表達式的一部分 —— 等同于泛型常量參的限制。

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回到序列計數(shù)問題

類似于解析幾何中的“投影”方法,通過將高維物體(token tree序列)投影于低維平面(數(shù)組),以主動舍棄若干信息項(每個token的具體值與數(shù)據(jù)類型)為代價,突出該物體更有價值的信息內容(序列長度),便可降低從復雜結構中摘取特定關注信息項的合計復雜度。這套“降維算法”帶來的啟發(fā)就是:
  1. 既然讀取數(shù)組長度是簡單的,那為什么不先將token tree序列變形為數(shù)組呢?
    1. 答:投影token tree序列為數(shù)組
  2. 既然token tree序列的內容細節(jié)不被關注,那為什么還要糾結于數(shù)組的數(shù)據(jù)類型與填充值呢?全部充滿unit type豈不快哉!
    1. 再答:投影token tree序列為單位數(shù)組[(); N]。僅數(shù)組長度對我們有價值。
于是,循環(huán)替換設計模式Repetition Replacement(RR)與元變量表達式${ignore(識別符名)}都是被用來改善【宏循環(huán)結構】的使用體驗,以允許Rustacean對循環(huán)結構中的循環(huán)重復項“宣而不用” —— 既遍歷token tree序列,同時又棄掉每個具體的token元素,最后還生成一個等長的單位數(shù)組[(); N]。否則,未被使用的“循環(huán)重復項”會導致error: attempted to repeat an expression containing no syntax variables matched as repeating at this depth的編譯錯誤。
  • 循環(huán)替換設計模式Repetition Replacement(RR)是以在宏循環(huán)體內插入一層“空轉”宏調用,消費掉consuming未被使用的“循環(huán)重復項”例程15
  • 元變量表達式${ignore(識別符名)}是前者的語法糖,允許Rustacean少敲幾行代碼。但因為元變量表達式是試驗性的新語法,所以需要開啟對應的feature-gate開關#![feature(macro_metavar_expr)]才能被使用。例程16
然后,常量函數(shù)調用和函數(shù)參觸發(fā)編譯器對單位數(shù)組字面量的類型推導。 接著,泛型常量參從被推導出的數(shù)據(jù)類型定義內提取出數(shù)組長度信息。 最后,將泛型常量參作為常量函數(shù)的返回值輸出。 上圖,一圖抵千詞。

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結束語

除了前文提及的【宏遞歸法】與Array Length設計模式,統(tǒng)計token tree序列長度還有
  • Slice Length設計模式
    • 原理類似Array Length,但調用數(shù)組字面量的pub const fn len(&self) -> usize成員方法讀取長度值(而不是依賴類型推導和泛型參數(shù)提取)。
  • 枚舉計數(shù)法
    • 規(guī)則宏將token tree序列變形為“枚舉類”(而不是數(shù)組字面量),再由最后一個枚舉值的分辨因子discriminant值加1獲得序列長度。
    • 但,缺點也明顯。比如,token tree序列內不能包含rust語法關鍵字與重復項。
  • 比特計數(shù)法
    • 典型的算法優(yōu)化。從數(shù)學層面,將程序復雜度從O(n)降到O(log(n))。有些復雜,回頭單獨寫一篇文章分享之。
【規(guī)則宏】與【泛型參數(shù)】皆是rust編程語言提供的業(yè)務功能開發(fā)利器。宏循環(huán)結構與泛型常量參數(shù)僅只是它們的冰山一角。此文既匯總分享與網(wǎng)友的討論成果,也對此話題拋磚引玉。希望有機會與路過的神仙哥哥和仙女妹妹們更深入地交流相關技術知識點與實踐經(jīng)驗。 審核編輯:湯梓紅

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原文標題:淺聊泛型常量參數(shù)

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