在 Rust 中，結構體（struct）和元組（tuple）是定義自訂類別的重要工具。它們讓開發者能夠清晰地組織和管理資料，並在程式中表達不同的數據結構。本篇文章將介紹如何在 Rust 中運用結構體與元組來定義自訂類別，並將其與 Python 中的類似結構進行比較，幫助開發者快速理解並運用這些概念。

一、元組：簡單且靈活的多值組合

元組是一種輕量的資料結構，可以用來存放多個不同類別的值。Rust 和 Python 的元組都具有這種特性，但它們在某些細節上略有不同。

1. Rust 的元組

Rust 的元組能夠容納多種類型的值，你可以使用索引來存取元組中的元素。這讓元組非常適合用來存放臨時且不需要命名的數據。

fn main() {
    let person: (&str, i32) = ("Alice", 30); // 定義一個元組，包含名字和年齡
    println!("名字：{}，年齡：{}", person.0, person.1); // 使用索引存取元組中的元素
}

• 優點：快速存放多個不同類別的值，簡單易用。
• 缺點：需使用索引存取，對於大型數據結構可讀性較低。

2. Python 的元組

Python 的元組與 Rust 類似，可以存放多個不同類別的值，但它們是不可變的（immutable）。這意味著一旦建立後，元組中的值就無法改變。

person = ("Alice", 30)
print(f"名字：{person[0]}，年齡：{person[1]}")

• 優點：簡單易用，適合用於臨時數據存放，且不可變性增加了數據的穩定性。
• 缺點：值不可改變，無法對元組的內容進行修改。

Rust 與 Python 的元組比較

二、結構體：有結構的自訂類別

結構體比元組更強大，適合用來表示相關性強的數據，並且可以為每個欄位賦予名稱，使程式碼更具可讀性。

1. Rust 的結構體定義

Rust 的結構體允許你定義每個欄位的名稱和類別。這種設計使得結構體在存取和操作時非常直觀。

struct Person {
    name: String,
    age: u8,
}

fn main() {
    let alice = Person {
        name: String::from("Alice"),
        age: 30,
    };

    println!("名字：{}，年齡：{}", alice.name, alice.age);
}

• 優點：欄位有名稱，增加了程式碼的可讀性和可維護性。
• 缺點：定義較為繁瑣，特別是對於簡單的數據結構。

2. Python 的類別

Python 沒有結構體，但類別（class）可以實現類似的功能。類別不僅允許定義屬性，還可以包含方法，這讓它非常適合大型專案的開發。

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

alice = Person("Alice", 30)
print(f"名字：{alice.name}，年齡：{alice.age}")

• 優點：支援物件導向設計，能夠包含方法，靈活多變。
• 缺點：語法稍為複雜，需要定義建構子和方法。

Rust 與 Python 的結構體和類別比較

三、元組結構體：結構體與元組的結合

Rust 提供了一種介於結構體和元組之間的資料結構，稱為元組結構體。元組結構體擁有結構體的自訂類別特性，但其欄位沒有名稱。

1. 元組結構體

元組結構體適合在不需要欄位名稱時使用，它保留了結構體的類別優勢，同時保持了元組的簡潔性。

struct Color(i32, i32, i32);

fn main() {
    let black = Color(0, 0, 0);
    println!("黑色的 RGB 值：({}, {}, {})", black.0, black.1, black.2);
}

• 優點：簡單且快速，適合用於封裝小型數據。
• 缺點：缺少欄位名稱，在使用上不夠直觀。

元組結構體 vs 普通結構體

四、結構體中的方法定義

在 Rust 中，結構體可以擁有方法，使得結構體不僅僅是靜態的資料結構，也能帶有行為。這種設計讓 Rust 的結構體更具實用性。

Rust 的方法定義

以下範例展示如何為 Person 結構體定義方法，讓結構體具備自我介紹的功能。

struct Person {
    name: String,
    age: u8,
}

impl Person {
    fn greet(&self) {
        println!("你好，我是 {}，我 {} 歲", self.name, self.age);
    }
}

fn main() {
    let bob = Person {
        name: String::from("Bob"),
        age: 25,
    };
    bob.greet(); // 呼叫方法
}

• 優點：結構體能夠擁有行為，類似於物件導向設計。
• 注意：&self 用來表示對結構體的不可變引用，無法修改結構體內部的資料。

五、結構體的所有權與借用

Rust 的所有權和借用機制是其核心特性之一，這些機制在使用結構體時尤其重要。當我們將結構體實例傳遞給其他函數或方法時，可能會發生所有權的轉移或借用。

借用結構體

借用是避免所有權轉移的方法之一，這樣可以使用結構體而不改變其擁有者。

fn show_person(person: &Person) {
    println!("名字：{}，年齡：{}", person.name, person.age);
}

fn main() {
    let alice = Person {
        name: String::from("Alice"),
        age: 30,
    };
    show_person(&alice);  // 借用 alice，而不是轉移所有權
}

• 優點：節省記憶體，避免不必要的複製。
• 注意：借用有不可變借用（&）和可變借用（&mut），需根據情境選擇。

六、結構體的進階應用

：特性（Trait）和泛型結構體

1. 使用 derive 為結構體添加特性

Rust 的結構體可以自動衍生（derive）許多常用的特性，如 Debug、Clone、PartialEq，這樣的設計大幅提高了結構體的便利性。

#[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

fn main() {
    let point1 = Point { x: 5, y: 10 };
    let point2 = point1.clone();
    println!("{:?}", point1); 
    println!("點相等嗎？{}", point1 == point2);
}

2. 泛型結構體

泛型結構體允許在定義時不限制數據的類別，增加了結構體的彈性和重用性。

struct GenericPoint<T> {
    x: T,
    y: T,
}

fn main() {
    let integer_point = GenericPoint { x: 5, y: 10 };
    let float_point = GenericPoint { x: 1.2, y: 3.4 };
    println!("整數點: ({}, {}), 浮點數點: ({}, {})", integer_point.x, integer_point.y, float_point.x, float_point.y);
}

七、總結

在這篇文章中，我們深入了解了 Rust 中的結構體與元組，並展示了它們如何幫助開發者清晰地組織和管理資料。以下是主要重點：

• 元組：適合快速存放多類型資料，不需要命名欄位。
• 結構體：增加了欄位名稱的清晰度，適合更複雜的資料模型。
• 元組結構體：結合了結構體和元組的優點，適合簡單封裝數據。
• 方法：為結構體添加行為，使其更具功能性。
• 特性與泛型：提升結構體的靈活性，適應多樣化的開發需求。

透過掌握這些工具，你將能在 Rust 中更高效地組織和管理程式中的資料，撰寫出結構清晰、易於維護的程式碼。