定义模块来控制作用域与私有性

在本节，我们将讨论模块和其它一些关于模块系统的部分，如允许你命名项的 路径（paths）；用来将路径引入作用域的 use 关键字；以及使项变为公有的 pub 关键字。我们还将讨论 as 关键字、外部包（external packages）和 glob 运算符（glob operator）。

首先，我们将从一系列的规则开始，在你未来组织代码的时候，这些规则可被用作简单的参考。接下来我们将会详细的解释每条规则。

模块小抄（Cheat Sheet）

在深入了解模块和路径的细节之前，这里提供一个简单的参考，用来解释模块、路径、use关键词和pub关键词如何在编译器中工作，以及大部分开发者如何组织他们的代码。我们将在本章中举例说明每条规则，但这是回顾模块工作原理的绝佳参考。

  • 从 crate 根节点开始: 当编译一个 crate, 编译器首先在 crate 根文件（通常，对于一个库 crate 而言是 src/lib.rs，对于一个二进制 crate 而言是 src/main.rs）中寻找需要被编译的代码。
  • 声明模块: 在 crate 根文件中，你可以声明一个新模块；比如，用 mod garden; 声明了一个叫做 garden 的模块。编译器会在下列路径中寻找模块代码：
    • 内联，用大括号替换 mod garden 后跟的分号
    • 在文件 src/garden.rs
    • 在文件 src/garden/mod.rs
  • 声明子模块: 在除了 crate 根节点以外的任何文件中，你可以定义子模块。比如，你可能在 src/garden.rs 中声明 mod vegetables;。编译器会在以父模块命名的目录中寻找子模块代码：
    • 内联，直接在 mod vegetables 后方不是一个分号而是一个大括号
    • 在文件 src/garden/vegetables.rs
    • 在文件 src/garden/vegetables/mod.rs
  • 模块中的代码路径: 一旦一个模块是你 crate 的一部分，你可以在隐私规则允许的前提下，从同一个 crate 内的任意地方，通过代码路径引用该模块的代码。举例而言，一个 garden vegetables 模块下的 Asparagus 类型可以通过 crate::garden::vegetables::Asparagus 访问。
  • 私有 vs 公用: 一个模块里的代码默认对其父模块私有。为了使一个模块公用，应当在声明时使用 pub mod 替代 mod。为了使一个公用模块内部的成员公用，应当在声明前使用pub。
  • use 关键字: 在一个作用域内，use关键字创建了一个项的快捷方式，用来减少长路径的重复。在任何可以引用 crate::garden::vegetables::Asparagus 的作用域，你可以通过 use crate::garden::vegetables::Asparagus; 创建一个快捷方式，然后你就可以在作用域中只写 Asparagus 来使用该类型。

这里我们创建一个名为backyard的二进制 crate 来说明这些规则。该 crate 的路径同样命名为backyard，该路径包含了这些文件和目录：

backyard
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
└── src
    ├── garden
    │   └── vegetables.rs
    ├── garden.rs
    └── main.rs

这个例子中的 crate 根文件是 src/main.rs，该文件包含了：

文件名：src/main.rs

use crate::garden::vegetables::Asparagus;

pub mod garden;

fn main() {
    let plant = Asparagus {};
    println!("I'm growing {plant:?}!");
}

pub mod garden; 行告诉编译器将 src/garden.rs 中发现的代码包含进来：

文件名：src/garden.rs

pub mod vegetables;

在此处，pub mod vegetables; 意味着在 src/garden/vegetables.rs 中的代码也应该被包含。这些代码是：

#[derive(Debug)]
pub struct Asparagus {}

现在让我们深入了解这些规则的细节并在实践中演示它们！

在模块中对相关代码进行分组

模块让我们可以将一个 crate 中的代码进行分组，以提高可读性与重用性。因为一个模块中的代码默认是私有的，所以还可以利用模块控制项的私有性（privacy）。私有项是不可为外部使用的内在详细实现。我们也可以将模块和它其中的项标记为公开的，这样，外部代码就可以使用并依赖于它们。

作为示例，让我们编写一个提供餐厅功能的库 crate。我们将定义函数的签名，但将其函数体留空以便将注意力集中在代码的组织结构上而不是餐厅实现的细节。

在餐饮业，餐馆中会有一些地方被称之为前台（front of house），还有另外一些地方被称之为后台（back of house）。前台是招待顾客的地方；这包括接待员为顾客安排座位、服务员接受点单和付款、调酒师制作饮品的地方。后台则是厨师和烹饪人员在厨房工作、洗碗工清理餐具，以及经理处理行政事务的区域。

为了以这种方式构建我们的 crate，我们可以将其功能组织到嵌套模块中。通过执行 cargo new restaurant --lib 来创建一个新的名为 restaurant 的库。然后将示例 7-1 中所罗列出来的代码放入 src/lib.rs 中，来定义一些模块和函数签名；这段代码即为前台部分。

文件名：src/lib.rs

mod front_of_house {
    mod hosting {
        fn add_to_waitlist() {}

        fn seat_at_table() {}
    }

    mod serving {
        fn take_order() {}

        fn serve_order() {}

        fn take_payment() {}
    }
}

示例 7-1：一个包含了其他内置了函数的模块的 front_of_house 模块

我们使用 mod 关键字来定义模块，后跟模块名（本例中叫做 front_of_house），并且用花括号包围模块的主体。在模块内，我们还可以定义其它的模块，就像本例中的 hosting 和 serving 模块。模块还可以保存一些定义的其它项，比如结构体、枚举、常量、trait、或者如示例 7-1 所示的函数。

通过使用模块，我们可以将相关的定义分组到一起，并指出它们为什么相关。程序员可以通过使用这段代码，更加容易地找到他们想要的定义，因为他们可以基于分组来对代码进行导航，而不需要阅读所有的定义。程序员向这段代码中添加一个新的功能时，他们也会知道代码应该放置在何处，可以保持程序的组织性。

在前面我们提到了，src/main.rs 和 src/lib.rs 叫做 crate 根。之所以这样叫它们是因为这两个文件的内容都分别在 crate 模块结构的根组成了一个名为 crate 的模块，该结构被称为模块树（module tree）。

示例 7-2 展示了示例 7-1 中模块树的结构。

crate
 └── front_of_house
     ├── hosting
     │   ├── add_to_waitlist
     │   └── seat_at_table
     └── serving
         ├── take_order
         ├── serve_order
         └── take_payment

示例 7-2: 示例 7-1 中代码的模块树

这个树展示了一些模块是如何被嵌入到另一个模块的（例如，hosting 嵌套在 front_of_house 中）。这个树还展示了一些模块是互为兄弟（siblings）的，这意味着它们定义在同一模块中；hosting 和 serving 被一起定义在 front_of_house 中。继续沿用家庭关系的比喻，如果一个模块 A 被包含在模块 B 中，我们将模块 A 称为模块 B 的 子（child）模块，模块 B 则是模块 A 的 父（parent）模块。注意，整个模块树都植根于名为 crate 的隐式模块下。

这个模块树可能会令你想起电脑上文件系统的目录树；这是一个非常恰当的类比！就像文件系统的目录，你可以使用模块来组织你的代码。并且，就像目录中的文件，我们需要一种方法来找到模块。