Day9 - 變數遮蔽

16th鐵人賽 rust

blueye

2024-09-23 01:41:01

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在 Rust 中，遮蔽(shadowing)是一種允許重複使用相同變數名稱的特性。

行為

遮蔽會在變數作用域內逐層生效，即在某一層的變數遮蔽了外層或之前定義的同名變數，當該層作用域結束後，外層的變數會重新生效。

main() {
    let x = 5;
    println!("{}", x); // 5
    
    let x = x + 1; // 遮蔽前一個 x
    println!("{}", x); // 6
    
    let x = x * 2; // 再次遮蔽
    println!("{}", x); // 12
}

特別的是，再宣告一個相同名稱的變數，並不是原本變數的值被更新了，而是創建了一個新的變數，只是原本的變數被遮蔽了所以編譯器讀取到的會是新的變數，佔據變數名稱的使用權，直到它自己也被遮蔽或是離開作用域：

fn main() {
    let x = 5;

    let x = x + 1;

    {
        let x = x * 2;
        println!("x 在內部範圍的數值為：{x}");
    } // 內層定義 x 離開作用域，外部 x 重新生效

    println!("x 的數值為：{x}");
}

$ cargo run
x 在內部範圍的數值為：12
x 的數值為：6

這種做法有幾個好處：

保持不可變性：每個 x 本身都是不可變的，符合 Rust 的安全理念。
提高可讀性：我們可以重複使用有意義的變數名，而不是創建 x1、x2、x3 這樣的名稱。
轉換型別：我們可以在同一個名稱下轉換變數的型別：

fn main() {
    let start: i32 = 1;
    println!("{}", start); // 1
    let start: bool = true; // 這行之後 1 被遮蔽了
    println!("{}", start); // true
}

這樣的設計和可變性(mutability)之間形成有一種有趣的關係，讓我們可以在不違反 Rust 安全原則的情況下，靈活地改變變數的值和型別。

安全性來說，新的變數一樣預設不可變，不受原本變數影響，所以如果直接去更新值還是一樣會報錯，驗證看看：

fn main() {
    let mut x = 5;
    x = x + 1;

    {
        let x = x * 2;
        x = x + 1;
        println!("x 在內部範圍的數值為：{x}");
    }

    println!("x 的數值為：{x}");
}

error[E0384]: cannot assign twice to immutable variable `x`
  --> src/main.rs:23:9
   |
22 |         let x = x * 2;
   |             -
   |             |
   |             first assignment to `x`
   |             help: consider making this binding mutable: `mut x`
23 |         x = x + 1;
   |         ^^^^^^^^^ cannot assign twice to immutable variable

比較一下一開始的例子，如果我們不使用遮蔽而使用可變變數的情況：

fn main() {
    let mut x = 5;
    println!("{}", x); // 5
    
    x = x + 1; // 直接修改 x 的值
    println!("{}", x); // 6
    
    x = x * 2; // 再次修改 x 的值
    println!("{}", x); // 12
}

這個版本看起來更簡潔，但有幾個潛在的問題：

x 在整個作用域內都是可變的，這增加了出錯的風險。
無法改變 x 的型別。

使用情境

複雜數據轉換：當需要對數據進行多次轉換，但是不想宣告新變數的時候。這樣可以保持變數名稱的一致性，而不需要引入新的名稱，例如金額計算的時候。

fn main() {
    let service_charge = true; // 要不要收服務費
    let price = 100.0;  // 基本價格
    let price = price * 1.08; // 加上 8% 的稅
    let price = price + 5.0; // 加上 5 元的點餐費

    let price = if service_charge {
        price * 1.1 // 如果需要加收服務費
    } else {
        price // 如果不需要加收服務費
    };

    println!("The final price is: ${:.0}", price);
}

型別轉換：有時候最初拿到的型別只是暫時的，和我們實際要用的型別不同的時候，就不用變數名稱裡要再加上型別區分。

use std::io;

fn main() {
    println!("Please type a integer:");

    let mut guess = String::new();

    io::stdin()
        .read_line(&mut guess)
        .expect("Failed to read line");

    let guess: i32 = guess.trim().parse()
        .expect("Input is not a integer");
    // 其他操作、數字比較等等
}

和其他程式語言比較

不只是 Rust ，很多其他程式語言也有 Shadowing 的概念。

和 JavaScript 比較一下：

let x = 5;
{
    let x = 10;
    console.log(x); // 10, 內部作用域的 x
}
console.log(x); // 5, 外部作用域的 x

這個情況看起來差異不大，但其他情況就有差了。
JavaScript 要宣告一個已經被宣告的變數，要在不同作用域。
如果在同一個作用域這樣寫就會報錯：

let x = 5;
let x = 10;
console.log(x);

那再來我們會改成這樣寫：

let x = 5;
x = 10;
console.log(x); // 10,

這樣可以的確正確執行，但其實就是 Rust 用可變變數的寫法，缺點也是一樣的，這個變數不具備不可變的特性，後面操作可以很輕易地改變原本的數值。當然 JavaScript 倒不會被型別限制住就是。

那 C++ 的情況呢？

#include <iostream>

int main() {
    int x = 5; // 外部作用域中的 x

    if (true) {
        int x = 10; // 內部作用域中的 x，遮蔽了外部的 x
        std::cout << "Inner x: " << x << std::endl; // 這裡輸出的是內部的 x，值為 10
    }

    std::cout << "Outer x: " << x << std::endl; // 這裡輸出的是外部的 x，值仍為 5

    return 0;
}

比較一下 Rust 的版本：

fn main() {
    let x = 5; // 外部作用域中的 x

    if true {
        let x = 10; // 內部作用域中的 x，遮蔽了外部的 x
        println!("Inner x: {}", x); // 這裡輸出的是內部的 x，值為 10
    }

    println!("Outer x: {}", x); // 這裡輸出的是外部的 x，值仍為 5
}

乍看還是和 Rust 沒有太大差別，但有一個差別是，和 Rust 是顯式地引入遮蔽(需要開發者明確地用 let 宣告，換句話說，開發者主動的)，而 C++ 不是，沒有仔細看很容易沒發現現在看到的變數是在哪一層的作用域中，容易造成非預期影響。Rust 的這種顯式遮蔽設計不僅提高了代碼的可讀性，還能在編譯時就捕獲潛在的錯誤，體現了Rust 對安全性的重視。