rust-design-patterns

Verwendung

Installationsbefehl kopieren und das Quellpaket vor der Installation in der eigenen Agentenumgebung prüfen.
Benötigte Werkzeuge, Zugangsdaten und Hosts im Original prüfen.
Eingabe und gewünschtes Ergebnis beschreiben und die Ausgabe mit den Quellen abgleichen.

npx skills add https://github.com/luckyegg168/rust-skill --skill rust-design-patterns

Vor dem Start

Die Installation umfasst weder Modellabo noch API-Kontingent oder Dateizugriffsrechte.
Sterne und Installationen zeigen Aktivität, keine unabhängige Qualitäts- oder Sicherheitsprüfung.

Originales Skill-Dokument

Aus dem Quell-Repository gerendert; Überschriften, Beispiele, Code, Tabellen, Links und Bilder bleiben erhalten.

Rust 慣用設計模式

適用場景

設計新的 struct/API 時，需要選擇合適的建構方式（Builder / Typestate）
需要對原始型別加上語意約束或防止混用（Newtype）
管理需要確定釋放的資源（檔案、鎖、連線）→ RAII Guard
在不可變結構中仍需局部可變性 → Interior Mutability
需要執行時多態策略切換 → Strategy（trait object / enum dispatch）
限制 trait 只能在本 crate 實作 → Sealed Trait
為外部型別追加方法 → Extension Trait
事件驅動回呼架構 → Observer / Command Pattern
型別間慣用轉換 → From / Into / TryFrom

核心知識

模式索引表

模式	用途	複雜度
Newtype	為既有型別建立語意包裝，防止混用	★☆☆
From/Into	型別間慣用零成本轉換	★☆☆
Builder (基礎)	多欄位 struct 的鏈式建構	★★☆
Typestate Builder	編譯期強制必填欄位順序	★★★
RAII Guard	利用 Drop 自動釋放資源	★★☆
Interior Mutability	在 `&self` 下進行可變操作	★★☆
Strategy (trait object)	執行時動態切換行為	★★☆
Strategy (enum dispatch)	靜態分派、無堆積配置	★★☆
Sealed Trait	限制 trait 只能在本 crate 實作	★★☆
Extension Trait	為外部型別追加方法	★☆☆
Observer / Callback	事件訂閱與通知	★★★
Command	將操作封裝為物件，支援 undo	★★☆

各模式詳解

1. Newtype Pattern

將原始型別包進單欄位 tuple struct，獲得：

型別安全：UserId(u64) 與 OrderId(u64) 編譯期不可混用
封裝：可為 newtype 實作自訂方法與 trait
零成本：編譯後與原始型別完全相同的記憶體佈局

rust

// 基本定義
struct Meters(f64);
struct Seconds(f64);

// 透過 Deref 暴露內部值（謹慎使用）
impl std::ops::Deref for Meters {
    type Target = f64;
    fn deref(&self) -> &f64 { &self.0 }
}

搭配 From/Into：提供慣用的型別轉換，避免手動 .0 存取。

rust

impl From<f64> for Meters {
    fn from(v: f64) -> Self { Meters(v) }
}
// 自動獲得 Into<Meters> for f64

2. Builder Pattern（基礎）

適用於有多個可選欄位的 struct：

rust

struct Config {
    host: String,
    port: u16,
    max_retries: u32,
}

struct ConfigBuilder {
    host: String,
    port: u16,
    max_retries: u32,
}

impl ConfigBuilder {
    fn new(host: impl Into<String>) -> Self { /* ... */ }
    fn port(mut self, port: u16) -> Self { self.port = port; self }
    fn max_retries(mut self, n: u32) -> Self { self.max_retries = n; self }
    fn build(self) -> Config { /* ... */ }
}

也可使用 typed-builder crate 以 derive macro 自動生成。

3. Typestate Builder

利用泛型參數的零大小型別 (ZST) 在編譯期追蹤狀態：

rust

struct NoHost;
struct HasHost;

struct RequestBuilder<H> {
    host: Option<String>,
    _state: std::marker::PhantomData<H>,
}

impl RequestBuilder<NoHost> {
    fn host(self, h: impl Into<String>) -> RequestBuilder<HasHost> { /* 狀態轉移 */ }
}

impl RequestBuilder<HasHost> {
    fn send(self) -> Response { /* 只有設定 host 後才能呼叫 */ }
}

優點：錯誤在編譯期捕獲，不需 runtime 檢查。

4. RAII Guard Pattern

Rust 的 Drop trait 保證離開作用域時自動執行清理：

rust

struct TimerGuard { start: std::time::Instant, label: String }

impl Drop for TimerGuard {
    fn drop(&mut self) {
        println!("{}: {:?}", self.label, self.start.elapsed());
    }
}

常見用途：MutexGuard、檔案鎖、計時器、交易回滾。

5. Interior Mutability

型別	執行緒安全	檢查時機	典型場景
`Cell<T>`	否	編譯期（Copy）	簡單計數器
`RefCell<T>`	否	執行時借用	圖結構、快取
`Mutex<T>`	是	執行時鎖	多執行緒共享
`RwLock<T>`	是	讀寫鎖	讀多寫少
`OnceCell/LazyLock`	是	僅初始化一次	全域單例

rust

use std::cell::RefCell;

struct Cache {
    data: RefCell<HashMap<String, String>>,
}

impl Cache {
    fn get_or_insert(&self, key: &str) -> String {
        // &self 但可修改內部 data
        let mut map = self.data.borrow_mut();
        map.entry(key.to_owned())
            .or_insert_with(|| expensive_compute(key))
            .clone()
    }
}

6. Strategy Pattern

Trait object 版本（動態分派，適合插件架構）：

rust

trait Compressor: Send + Sync {
    fn compress(&self, data: &[u8]) -> Vec<u8>;
}

fn process(compressor: &dyn Compressor, data: &[u8]) -> Vec<u8> {
    compressor.compress(data)
}

Enum dispatch 版本（無堆積配置，效能更佳）：

rust

enum Compressor { Gzip, Lz4, Zstd }

impl Compressor {
    fn compress(&self, data: &[u8]) -> Vec<u8> {
        match self {
            Self::Gzip => { /* ... */ }
            Self::Lz4  => { /* ... */ }
            Self::Zstd => { /* ... */ }
        }
    }
}

選擇原則：變體固定 → enum；需外部擴展 → trait object。

7. Sealed Trait Pattern

防止下游 crate 實作你的 trait：

rust

mod private { pub trait Sealed {} }

pub trait MyTrait: private::Sealed {
    fn method(&self);
}

// 僅在本 crate 內實作 Sealed → 外部無法實作 MyTrait
impl private::Sealed for MyStruct {}
impl MyTrait for MyStruct { fn method(&self) { /* ... */ } }

8. Extension Trait Pattern

為外部型別追加方法而不需要 Newtype：

rust

pub trait StrExt {
    fn is_blank(&self) -> bool;
}

impl StrExt for str {
    fn is_blank(&self) -> bool {
        self.trim().is_empty()
    }
}
// 使用：use crate::StrExt; "  ".is_blank()

9. Observer / Callback Pattern

rust

type Callback<T> = Box<dyn Fn(&T) + Send + 'static>;

struct EventBus<T> {
    listeners: Vec<Callback<T>>,
}

impl<T> EventBus<T> {
    fn subscribe(&mut self, cb: impl Fn(&T) + Send + 'static) {
        self.listeners.push(Box::new(cb));
    }
    fn emit(&self, event: &T) {
        for listener in &self.listeners {
            listener(event);
        }
    }
}

10. Command Pattern

rust

trait Command {
    fn execute(&mut self);
    fn undo(&mut self);
}

將操作封裝為實作 Command 的結構體，支援 undo/redo 堆疊。

程式碼範例

完整可編譯範例見 examples/ 目錄：

basic.rs — Newtype + From/Into + Builder（基礎版）
intermediate.rs — Typestate Builder + RAII Guard + Interior Mutability
advanced.rs — Strategy (trait object + enum) + Sealed Trait + Extension Trait + Observer

常見錯誤對照表

錯誤訊息	原因	修復方式
`the trait Sealed is not implemented for MyType`	嘗試在外部 crate 實作 Sealed Trait	這是設計意圖；改用該 crate 提供的型別
`already borrowed: BorrowMutError` (runtime panic)	`RefCell` 同時存在 `borrow()` 與 `borrow_mut()`	縮小借用範圍，或改用 `Cell<T>` / `Mutex<T>`
`cannot move out of self which is behind a mutable reference`	Builder 方法用 `&mut self` 但嘗試消耗 self	改用 `self`（owned）作為 builder 方法接收者
`unused type parameter H`	Typestate 泛型參數未被實際欄位使用	新增 `PhantomData<H>` 欄位
`trait objects cannot have associated functions`	trait 內含 `fn new() -> Self` 等方法，無法做 `dyn Trait`	加上 `where Self: Sized` 或移至 companion function
`cannot return reference to temporary value`	RAII guard 的 Deref 回傳了臨時值的參考	確保 guard 內部持有擁有權的資料，Deref 回傳其參考
`the trait bound Send is not satisfied`	將 `Rc<RefCell<T>>` 用於多執行緒	改用 `Arc<Mutex<T>>`

Cargo.toml 依賴模板

toml

[dependencies]
# derive_more 2.0：自動產生 From, Deref, Display 等 derive
derive_more = { version = "2.0", features = ["from", "deref", "display"] }

# typed-builder：以 derive macro 生成型別安全 builder
typed-builder = "0.20"

# 以下為選用
thiserror = "2"       # 錯誤型別 derive
once_cell = "1.20"    # LazyLock 替代方案（std 已有 LazyLock，此為向後相容）

參考來源

Rust Design Patterns Book — 社群維護的模式集
The Rust Book — Ch.17 OOP Features — trait objects 與動態分派
Rust API Guidelines — Type Safety — Newtype 與型別安全
Cliffle — Typestate Pattern — Typestate 深入教學
Rust Reference — Drop — RAII 與 Drop 語意
derive_more 文件 — 自動 derive 工具
typed-builder 文件 — 型別安全 Builder derive

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5. Interior Mutability

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7. Sealed Trait Pattern

8. Extension Trait Pattern

9. Observer / Callback Pattern

10. Command Pattern

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