一个让我血压升高的下午
上周有个老同事找我吃饭，聊着聊着就说到他最近接手的一个密码学库。“你是不知道，“他放下筷子，语气里带着疲惫，“这代码写得，简直是灾难。”
我问他怎么了。他说他们团队三年前写了一个人脸识别的库，当时为了支持不同大小的矩阵运算，居然用宏生成了 16 套几乎一模一样的代码。16 套啊，老兄。每套就是换个数字，16、32、64、128……跟套娃一样。
“你知道最后写了多少行吗？“他伸了个手指头，“8347 行。而且这还是精简后的结果。”
我当时就想，这哪是写代码，这是在堆坟。“后来呢？“我追问道。
“后来？“他苦笑了一下，“每次修 bug，我都要在 16 个地方改一模一样的内容。改完一个忘了改另一个，第二天线上就挂了。我那半年头发掉了三分之一，你看看我现在这样。”
我看着他确实稀疏的发量，心里默默叹了口气。
直到 Rust 1.51 来了
“转折点发生在 2021 年 3 月，“他喝了口汤，眼神终于亮了起来，“Rust 1.51 稳定化了 const generics。”
我一脸懵：“const 什么？”
他擦了擦嘴，开始给我解释。你听说过量体裁衣吗？以前裁缝店做衣服，量完你的身高肩宽腰围，得专门找一块布来裁。但 Rust 之前的泛型系统有个大 bug——它只能告诉你"这是一件衣服”，却没法告诉你"这件衣服是 XL 码的”。
“就这？“我觉得他有点小题大做。“你听我说完，“他摆把手，“这可不只是换个码数的问题。你知道吗，以前你想写一个处理固定大小数组的函数，根本没法写通用代码。”
他拿起餐巾纸，在上面画了个草图：
// 以前：想写一个通用函数？门都没有
fn process_16(data: [u8; 16]) { /* 处理 16 字节 */ }
fn process_32(data: [u8; 32]) { /* 处理 32 字节 */ }
fn process_64(data: [u8; 64]) { /* 处理 64 字节 */ }
// ... 一直写到 16 个函数
“看到没有？“他说，“每个函数就数字不一样，逻辑完全一样。但编译器不认账，它说 16 和 32 是不同的类型，你必须分别写。”
我懂了，这就像你去快递站寄包裹，人家说"对不起，我们只认箱子型号，不认箱子大小”。你说我要寄个小箱子，他说"小箱子我们有 A 型、B 型、C 型……您要哪个？”
“那 const generics 怎么解决这个？“我来了兴趣。
他笑了：“它让编译器知道，16、32、64 其实是一家人。”
// 现在：一个函数搞定所有尺寸
fn process<const N: usize>(data: [u8; N]) {
// N 就是数组大小，编译期就知道
}
就这么简单？一个 const N: usize ，16 个函数变成 1 个。
“对就这么简单，“他点头如捣蒜，“我当时看到这个写法，整个人都傻了。三年啊，我们折腾了三年，就为了等这一个语法糖。”
85% 的代码是怎么没的
吃完饭我们换了家咖啡馆，他非要给我看他们重构后的数据。“你知道我们重构后多少行吗？“他把手机递给我，“1243 行。”
我算了算，从 8347 到 1243，确实是少了 85% 左右。“但这不是最恐怖的，“他神秘兮兮地说，“你猜猜性能怎么样？”
我摇头。“小数组运算快了 83%。编译时间从 23 秒降到 9 秒，二进制体积从 847KB 瘦到 507KB。”
我差点把咖啡喷出来：“等等，代码少了 85%，性能反而快了将近一倍？你在逗我？”
他很认真地摇头：“没有逗你。这里面有两个原因。第一，const generics 让编译器能做一些以前做不了的优化。比如 SIMD 指令自动向量化，编译器知道数组大小后，可以把循环完全展开，还能预取数据。”
“第二呢？”
“第二，“他压低声音，“以前用宏生成的那些代码，其实有很多重复的内存操作。const generics 编译出来的代码，编译器能做更好的内联和常量折叠。很多计算在编译期就做完了，根本不用等到运行期。”
他打开电脑，给我看了段代码：
// 以前：16 套实现，每套都要动态分配内存
fn multiply_16(a: &[f32; 16], b: &[f32; 16]) -> Vec<f32> {
let mut result = Vec::with_capacity(16); // 堆分配！
// ... 计算
result
}
// 现在：栈上直接算，零分配
fn multiply<const N: usize>(a: &[f32; N], b: &[f32; N]) -> [f32; N] {
let mut result = [0.0; N]; // 栈上分配，编译期就知道大小
// ... 同样的计算
result
}
“看到了吗？“他说，“以前每次矩阵乘法都要在堆上申请一块新内存，现在直接在栈上就地算出结果。内存分配可是个昂贵的操作，能省当然要省。”
生活中的 const generics
我让他再用生活场景给我解释一下。他想了想，说：“你买过那种拼装家具吧？”
“买过，宜家的。”
“宜家的柜子，你知道吧，每种型号的板材数量是固定的。安装说明书上写着：柜子 A 需要 4 块侧板、2 块顶板、3 块隔板……但如果你要做一个通用的安装机器人，你怎么办？”
我摇头。“以前的做法是给每种柜子型号写一套程序。柜子 A 用程序 A，柜子 B 用程序 B，柜子 C 用程序 C……16 种型号写 16 套程序。”
“const generics 来了后，你只需要写一套程序：柜子<型号>{侧板数量: 4, 顶板数量: 2, 隔板数量: 3}。然后告诉机器人，这是 16 号柜子，那是 32 号柜子，机器人自己查配置就知道需要什么板材。”
我懂了：“所以 const generics 就是把那些’型号’参数化了？”
“对，“他很高兴我理解了，“型号就是常量，型号的数量、尺寸都可以作为类型参数传进去。编译器一看就知道这个柜子有多大，需要多少块板子，不用 runtime 再去查。”
那些让人头疼的用法
“不过，“我泼了盆冷水，“这玩意儿应该也有局限吧？”
他点头：“当然。你不能把任意运算放在 const 参数里。比如你想写 impl<const N * N: usize> ，不好意思，不支持。乘法和更复杂的运算在类型层面暂时还玩不转。”
还有，const 上下文里不能做堆分配。你没法写 const fn create_buffer() -> Vec<u8> ，因为 Vec 是运行期才有的东西。
“那遇到这些问题怎么办？““绕过去啊，“他说，“提前算好常量。比如你要 N*N，就先在外面算好 const SIZE: usize = 4; const SQUARED: usize = SIZE * SIZE; 然后用 Matrix<SIZE, SQUARED> 。编译器又不傻，它知道 SQUARED 是多少。”
另外他还提醒我，const generics 会增加编译时间，因为每个不同的常量值都会生成一份新的代码实例。不过这个代价通常是值得的，毕竟 runtime 更快了。
我们到底得到了什么
咖啡凉了，但我们聊得正热乎。“总结一下，“我帮他梳理，“const generics 给我们带来了什么？”
他掰着指头数：
“第一，代码量暴减。重复的代码不用写第二遍，DRY 原则终于在数组处理领域站起来了。”
“第二，性能优化效果显著。栈代替堆，编译期优化代替运行期计算，SIMD 向量化代替串行循环。能省的地方全省了。”
“第三，类型安全。编译器帮我们检查数组大小对不对，编译期就把 bug 抓出来，不用等到线上才崩溃。”
“第四，可维护性。以前 16 个地方改 bug，现在改一个地方就行。新人看代码也看得懂了，不用在一堆宏展开里晕头转向。”
他顿了顿，补充道：“最让我感动的是，我们组里一个刚毕业的应届生，以前看到那些宏生成的代码就头皮发麻。现在看到 const generics 的写法，他说’这不就是普通的泛型吗，我看得懂’。听到这话，我差点没哭出来。”
所以什么时候该用
“那我什么时候该用这个功能？“我最后问。
他想了想：“当你满足这几个条件的时候：数组大小是固定的、编译期就知道的；对性能有追求，零拷贝零分配最好；代码开始出现大量重复模式，不写宏难受，写了宏更难受。”
“反过来，如果你数组大小是用户输入决定的，或者你还在快速原型阶段，那先别用。const generics 会让代码编译更慢，而且对 runtime 才确定的大小没用。”
“说白了，“他总结道，“它是个工具，不是银弹。用在该用的地方，它就是神器。用在不该用的地方，它就是负担。”
我看了眼窗外，天都黑了。“走之前，“我问他，“你那个密码学库现在怎么样了？”
他站起来，伸了个懒腰：“活得很好。bug 少了 67%，新人三个月就能上手。我们团队现在有空一起吃午饭了，不用天天加班修 bug。”
他拍拍我的肩膀：“兄弟，听我一句劝，如果你现在的代码里有很多 fn process_16、fn process_32 之类的函数，试着换成 const generics。你会回来感谢我的。”
小抄
一句话记住它：const generics 让类型参数可以带"尺寸”，像量体裁衣一样精确。掌握 const generics 是 Rust 性能优化路上的重要一步。
这几种情况尽管用：
- 你要处理的数组大小固定不变，编译期就知道是多少
- 你对性能有洁癖，恨不得零拷贝零分配
- 你发现自己开始用宏 Ctrl+C、Ctrl+V 的时候
这几种情况先别用：
- 数组大小是用户输入决定的，运行期才出来
- 项目编译已经慢得像便秘，别再添堵
- 你还在快速原型阶段，代码三天两头要大改
踩过坑才懂的事：
- const 参数里不能做加减乘除那些复杂运算，类型系统还没那么聪明
- const 函数里不能搞堆分配，它只知道编译期的那点事
- 每个不同的常量值都会生成一份新代码，所以是用编译时间换执行时间
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