Программирование на уровне типа

Программирование на уровне типа (type-level programming) представляет концепцию, которая использует систему типов для инкапсуляции сложной логики и взаимосвязей между типами. Программирование на уровне типа включает в себя создание ограничений на уровне типа, что позволяет определять сложные условия, которым должны удовлетворять типы. В Rust для создания ограничений применяются трейты.

Вкратце рассмотрим концепцию на следующем примере:

// трейт персонажа в игре
trait Character {
    type WeaponType: Weapon;    // оружие, ассоциированое с персонажем
    // метод создания оружия, которое ассоциировано с персонажем
    fn create_weapon() -> Self::WeaponType;
}

// трейт оружия
trait Weapon {
    fn attack(&self);
}

// структура воина
struct Warrior;
// структура мага
struct Mage;

// структура, которая представляет меч
struct Sword;
// структура, которая представляет посох
struct Staff;

// реализация меча
impl Weapon for Sword {
    fn attack(&self) {
        println!("Атакуем мечом");
    }
}

// реализация для посоха
impl Weapon for Staff {
    fn attack(&self) {  
        println!("Применяем магию");
    }
}

// реализация воина
impl Character for Warrior { 
    type WeaponType = Sword;    // оружие - меч
    // создаем меч
    fn create_weapon() -> Self::WeaponType { Sword }
}

// реализация мага
impl Character for Mage {
    type WeaponType = Staff;    // оружие - магический посох
    // создаем посох
    fn create_weapon() -> Self::WeaponType { Staff }
}

// программирование на уровне типа
fn attack<C: Character>() {
    let weapon = C::create_weapon(); // создаем оружие ассоциированного типа
    weapon.attack();  // применяем оружие
}

fn main() {
    attack::<Warrior>();
    attack::<Mage>();
}

Вначале определяется трейт Character, который представляет некоторого персонажа в игре. В этом трейте с помощью ассоциированного типа WeaponType устанавливаем оружие персонажа, а ассоциированная функция create_weapon предназначена для создания оружия. Трейт Weapon представляет оружие, которое определяет метод attack для его применения.

Для демонстрации здесь определяется две структуры персонажей - Warrior (воин) и Mage (маг). Для оружия определяется две структуры - Sword (меч) и Staff (посох). И в данном случае наша задача гарантировать, что действительными будут только определенные комбинации классов персонажей и оружия. То есть воин использует меч, а маг - посох.

Структуры Sword и Staff применяют трейт Weapon, определяя реализацию для метода attack. А для структур Warrior и Mage реализуем трейт Character.

Далее определяем функцию верхнего уровня attack, которая применяет программирование на уровне типа:

fn attack<C: Character>() {
    let weapon = C::create_weapon(); // создаем оружие ассоциированного типа
    weapon.attack(); 
}

Здесь мы создаем оружие ассоцированного типа для типа C, который представляет структуру игрового персонажа, и далее выполняем метод attack.

В функции main вызываем функцию attack, типизируя ее различными структурами:

attack::<Warrior>();
attack::<Mage>();

Консольный вывод:

Атакуем мечом
Применяем магию