Rust面试宝典第10题：绘制各种图形

题目

        我们需要编写一个图形相关的应用程序，并处理大量图形（Shape）信息，图形有矩形（Rectangle）、正方形（Square）、圆形（Circle）等种类。应用程序需要计算这些图形的面积，并且可能需要在某个设备上进行显示（使用在标准输出上打印信息的方式作为示意）。

        （1）请使用面向对象的设计方法对以上需求进行设计，编写可能需要的结构体及其实现。

        （2）请给出实现以上功能的示例性代码，从某处获取图形信息并且进行计算和显示。

解析

        这道题主要考察应聘者对结构体、特征、封装等知识的整体理解和把控能力，涉及的知识点比较多，对于Rust初学者还是有一定难度的。

        先来看第一道小题，我们需要使用面向对象的设计方法来进行类的封装和实现。根据题目所述，图形有矩形（Rectangle）、正方形（Square）、圆形（Circle）等种类，那么，如何进行封装呢？矩形、正方形、圆形虽然形状不同，但它们都有一些基本的共同的属性，比如：具有周长、面积等性质。因此，我们可以先定义一个图形的Trait，在这个Trait中定义一些通用的属性和方法，具体可参考下面的示例代码。

trait Shape {
    fn area(&self) -> f64;
    fn display(&self);
}

        接下来，我们定义了下面名为Rectangle的结构体。这个结构体代表了一个矩形，包含两个关键的属性：width（宽度）和height（高度）。这两个属性都是64位浮点数类型（f64），这意味着矩形的尺寸可以是小数，从而提供了更高的精度和灵活性。随后，通过impl Shape for Rectangle语句，代码为Rectangle类型实现了Shape trait。这个实现包括了两个方法。

        area方法：计算矩形的面积，通过将宽度乘以高度得出结果。这个方法没有副作用，它接收一个自身的引用（&self），并返回一个f64类型的面积值。

        display方法：用于显示矩形的信息。这个方法使用println!宏来格式化并打印出矩形的宽度、高度和面积。值得注意的是：在打印面积时，它直接调用了之前定义的area方法，这展示了方法之间的互相调用以及代码的复用。

struct Rectangle {
    width: f64,
    height: f64,
}
 
impl Shape for Rectangle {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.width * self.height
    }
 
    fn display(&self) {
        println!(
            "Rectangle: width = {}, height = {}, area = {}",
            self.width,
            self.height,
            self.area()
        );
    }
}

        正方形结构体Square的实现与矩形结构体相似，但其只有一个side的属性。具体的实现，可参考下面的示例代码。

struct Square {
    side: f64,
}
 
impl Shape for Square {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.side * self.side
    }
 
    fn display(&self) {
        println!("Square: side = {}, area = {}", self.side, self.area());
    }
}

        最后，我们来封装圆形结构体Circle。Circle也只有一个属性，就是圆形的半径radius。具体的实现，可参考下面的示例代码。

struct Circle {
    radius: f64,
}
 
impl Shape for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        std::f64::consts::PI * self.radius * self.radius
    }
 
    fn display(&self) {
        println!("Circle: radius = {}, area = {}", self.radius, self.area());
    }
}

        在第二道小题中，要求应聘者从某处获取图形信息并且进行计算和显示。实际上，就是编写一个使用上述图形类的简单程序。在下面的示例代码中，我们首先创建了一个名为shapes的向量（Vec），该向量中存储了不同类型的形状对象。这些对象都被装箱（Box::new）并转换为Box<dyn Shape>类型的trait对象。这意味着，尽管这些形状在内存中的具体表示可能不同，但它们都实现了Shape trait，因此可以以一种统一的方式被处理。

        最后，代码通过一个for循环遍历shapes向量中的每个形状对象，并调用其display方法。由于每个对象都实现了Shape trait，因此它们都拥有display方法，这使得能够统一地处理和显示不同形状的信息。在循环中调用shape.display()时，Rust会在运行时动态地确定应该调用哪个具体实现的display方法。

fn main() {  
    let shapes = vec![  
        Box::new(Rectangle { width: 4.0, height: 5.0 }) as Box<dyn Shape>,  
        Box::new(Square { side: 6.0 }) as Box<dyn Shape>,  
        Box::new(Circle { radius: 3.0 }) as Box<dyn Shape>,  
    ];  
  
    for shape in shapes {  
        shape.display();  
    }  
}

        执行上述示例代码后，其打印输出如下。

Rectangle: width = 4, height = 5, area = 20
Square: side = 6, area = 36
Circle: radius = 3, area = 28.274333882308138

总结

        在本题中，我们学习了Rust中面向对象编程的一些关键概念，包括：多态性、Trait对象的使用以及动态方法分发。它允许程序员以一种灵活且类型安全的方式处理不同类型的对象，同时保持代码的简洁性和可读性。