8.1 关联类型

关联类型（Associated Types）是 Rust trait 系统中一种强大的抽象机制，它允许在定义 trait 时声明占位类型，而将具体类型的决定推迟到实现该 trait 时。与泛型参数不同，关联类型使得每个 trait 实现只能对应一组确定的关联类型，从而简化 API 设计并提高语义清晰度。

基本语法与用途

考虑一个表示“迭代器”的 trait。我们希望每个实现者能指定自己产生的元素类型：

trait Iterator {
    type Item;
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}

这里，type Item; 是一个关联类型。在实现 Iterator 时，必须为 Item 指定具体类型：

struct Counter {
    count: u32,
}

impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        self.count += 1;
        if self.count < 6 {
            Some(self.count)
        } else {
            None
        }
    }
}

现在，Counter 的 next() 方法返回 Option<u32>，类型由 Item = u32 决定。

与泛型参数的区别

你可能会问：为什么不用泛型？

// 泛型版本（不推荐用于此场景）
trait Iterator<T> {
    fn next(&mut self) -> Option<T>;
}

问题在于，一个类型可能被多次实现为不同 T 的 Iterator，例如 Iterator<i32> 和 Iterator<String>。但在逻辑上，一个具体的迭代器通常只产生一种类型的元素。使用关联类型可以强制一对一关系，避免歧义，并让调用者无需显式指定类型参数。

此外，关联类型使函数签名更简洁。例如：

fn use_iter<I: Iterator>(iter: I) { /* ... */ }

若使用泛型 trait，则需写成 I: Iterator<Item=T>，增加复杂度。

多个关联类型

一个 trait 可以定义多个关联类型：

trait Graph {
    type NodeId;
    type EdgeId;
    fn add_node(&mut self) -> Self::NodeId;
    fn add_edge(&mut self, from: Self::NodeId, to: Self::NodeId) -> Self::EdgeId;
}

实现时分别指定：

struct SimpleGraph {
    nodes: Vec<()>,
    edges: Vec<(usize, usize)>,
}

impl Graph for SimpleGraph {
    type NodeId = usize;
    type EdgeId = usize;

    fn add_node(&mut self) -> Self::NodeId {
        let id = self.nodes.len();
        self.nodes.push(());
        id
    }

    fn add_edge(&mut self, from: Self::NodeId, to: Self::NodeId) -> Self::EdgeId {
        let id = self.edges.len();
        self.edges.push((from, to));
        id
    }
}

关联类型与 trait bounds

可以在关联类型上添加约束：

trait Processor {
    type Input: Clone;
    type Output: std::fmt::Debug;

    fn process(&self, input: Self::Input) -> Self::Output;
}

这确保所有实现都使用满足特定 trait 的类型作为输入或输出。

小结

关联类型是 Rust 中表达“每个实现对应唯一类型”关系的理想工具。它广泛应用于标准库（如 Iterator、FnOnce、Deref 等），使接口既通用又精确。相比泛型参数，关联类型减少了类型参数的噪音，提升了 API 的可读性与一致性。掌握其用法，是编写高质量泛型库的关键一步。