自 const generics 的原始 RFC 被接受以来已过去超过 3 年，首个版本的 const generics 现已在 Rust beta channel 中可用！它将在 1.51 版本中提供，预计将于 2021 年 3 月 25 日发布。Const generics 是 Rust 中 最受期待 的特性之一，我们很高兴人们能开始利用这项新增特性带来的语言能力提升。

即使你不知道 const generics 是什么（如果是这样，请继续阅读！），你很可能已经从中受益了：const generics 已被 Rust 标准库使用，以改进数组的人机工程学和诊断能力；更多内容请见下文。

随着 const generics 进入 beta 阶段，让我们快速回顾一下实际稳定了哪些内容、这意味着什么以及接下来的计划。

什么是 const generics？

Const generics 是作用于常量值而不是类型或生命周期的泛型参数。这允许类型例如通过整数进行参数化。事实上，自 Rust 开发早期以来就有一个 const generic 类型的例子：数组类型 [T; N]，其中 T 为某种类型，N: usize。然而，以前无法对任意大小的数组进行抽象：如果你想为任意大小的数组实现 trait，你必须手动为每个可能的值进行实现。长期以来，甚至标准库中针对数组的方法也因此问题而限制为长度不超过 32 的数组。此限制在 Rust 1.47 中最终被解除 —— 这项改变正是 const generics 使之成为可能。

这是一个使用 const generics 的类型和实现示例：一个包裹两个相同大小数组的类型。

struct ArrayPair<T, const N: usize> {
    left: [T; N],
    right: [T; N],
}

impl<T: Debug, const N: usize> Debug for ArrayPair<T, N> {
    // ...
}

当前限制

Const generics 的第一个迭代版本被有意地进行了限制：换句话说，此版本是 const generics 的 MVP（最小可用产品）。此决定是出于对通用 const generics 额外复杂性的考虑（通用 const generics 的实现尚未完成，但我们觉得 1.51 中的 const generics 已经非常有用了），以及希望循序渐进地引入一项大型特性，以便积累处理任何潜在缺点和困难的经验。我们打算在未来的 Rust 版本中解除这些限制：请参见 接下来 的内容。

Const generics 仅允许整数类型

目前，唯一可作为 const generic 参数类型使用的类型是整数类型（即有符号和无符号整数，包括 isize 和 usize）以及 char 和 bool。这涵盖了 const 的一个主要用例，即对数组进行抽象。未来，此限制将解除，以允许更复杂的类型，例如 &str 和用户自定义类型。

const 参数中不允许使用复杂的泛型表达式

目前，const 参数只能通过以下形式的 const 参数实例化

• 独立的 const 参数。
• 字面量（即整数、布尔值或字符）。
• 具体的常量表达式（用 {} 括起来），不涉及泛型参数。

例如

fn foo<const N: usize>() {}

fn bar<T, const M: usize>() {
    foo::<M>(); // ok: `M` is a const parameter
    foo::<2021>(); // ok: `2021` is a literal
    foo::<{20 * 100 + 20 * 10 + 1}>(); // ok: const expression contains no generic parameters
    
    foo::<{ M + 1 }>(); // error: const expression contains the generic parameter `M`
    foo::<{ std::mem::size_of::<T>() }>(); // error: const expression contains the generic parameter `T`
    
    let _: [u8; M]; // ok: `M` is a const parameter
    let _: [u8; std::mem::size_of::<T>()]; // error: const expression contains the generic parameter `T`
}

按值数组迭代器（By-value array iterator）

除了上述语言更改之外，我们还开始向标准库添加利用 const generics 的方法。虽然大多数方法在此版本中尚未准备好进行稳定，但有一个方法已经稳定了。array::IntoIter 允许对数组进行按值迭代而不是按引用迭代，弥补了一个显著的缺点。目前正在讨论是否可能直接为数组实现 IntoIterator，尽管仍存在 向后兼容性问题 需要解决。IntoIter::new 作为临时解决方案，使处理数组变得显著简单。

use std::array;
fn needs_vec(v: Vec<i32>) {
    // ...
}

let arr = [vec![0, 1], vec![1, 2, 3], vec![3]];
for elem in array::IntoIter::new(arr) {
    needs_vec(elem);
}

接下来是什么？

Const generics 与默认参数

泛型参数目前必须按照特定顺序排列：生命周期、类型、consts。然而，当试图在 const 参数旁边使用默认参数时，这会带来困难。为了让编译器知道哪个泛型参数是什么，任何默认参数都需要放在最后。这两个约束——“类型在 consts 之前”，以及“默认参数放在最后”——对于同时具有默认类型参数和 const 参数的定义会产生冲突。

解决此问题的办法是放宽排序约束，以便 const 参数可以排在类型参数之前。然而，在实现这一改变时会涉及一些微妙之处，因为 Rust 编译器目前对参数排序做出了假设，而移除这些假设需要一些技巧。

鉴于围绕 const 参数默认值的类似设计问题，在 1.51 版本中也暂不支持这些。然而，解决上述参数排序问题也将解除对 const 默认值的限制。

自定义类型的 Const generics

理论上，要使某个类型作为 const 参数的类型有效，我们必须能够在编译时比较该类型的值。此外，值的相等性应该行为良好（即应是确定的、自反的、对称的和传递的）。为了保证这些属性，const generics RFC 中引入了结构相等性（structural equality）的概念：本质上，这包括任何带有 #[derive(PartialEq, Eq)] 且其成员也满足结构相等性的类型。

关于结构相等性应如何精确地表现，仍有一些问题，以及 实现的先决条件。原始类型显著简单，这使得我们能够先稳定针对这些类型的 const generics，然后再稳定更通用的类型。

带有复杂表达式的 Const generics

支持复杂表达式涉及几个复杂性。一个 feature flag，feature(const_evaluatable_checked)，在 Nightly channel 中可用，它启用了一种针对 const generics 的复杂表达式支持版本。

一个困难在于需要有办法比较未求值的常量，因为编译器无法自动知道两个语法上相同的表达式实际上是相等的。这涉及一种对表达式的符号推理，这通常是一个复杂的问题。

// The two expressions `N + 1` and `N + 1` are distinct
// entities in the compiler, so we need a way to check
// if they should be considered equal.
fn foo<const N: usize>() -> [u8; N + 1] {
    [0; N + 1]
}

我们还需要一种处理在求值泛型操作时可能出现的错误的方法。

fn split_first<T, const N: usize>(arr: [T; N]) -> (T, [T; N - 1]) {
    // ...
}

fn generic_function<const M: usize>(arr: [i32; M]) {
    // ...
    let (head, tail) = split_first(arr);
    // ...
}

若无办法限制这里的 M 的可能值，调用 generic_function::<0>() 在求值 0 - 1 时会导致错误，该错误在声明时未被捕获，因此可能对下游用户造成意外失败。

关于如何精确表达此类边界，存在设计问题，这些问题需要在稳定复杂的 const 参数之前解决。

总结

对于如此重要的新特性，可能会有一些不完善之处。如果你遇到任何问题，即使是像令人困惑的错误消息这样的小问题，请提交 issue！我们希望用户体验尽可能做到最好——而现在发现的任何问题对于 const generics 的后续迭代版本都可能更加重要。