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【PhysUnits】4.4 零类型(Z0)及其算术运算(zero.rs)

news 来源：原创 2025/7/19 7:16:00

一、源码

该代码定义了一个类型系统中的零类型Z0，并为其实现了基本的算术运算（加法、减法、乘法、除法）。这是一个典型的类型级编程示例，使用Rust的类型系统在编译期进行数学运算。

//! 零类型(Z0)及其算术运算实现
//! 
//! 本模块定义了类型系统中的零类型，并为其实现了基本算术运算。
//! 所有运算遵循数学规则，特别是零元素的算术特性。use core::ops::{Add, Sub, Mul, Div};
use core::marker::PhantomData;
use crate::sealed::Sealed;
use super::{Positive, Neg, Integer, Null};/// 零类型实现Sealed标记trait
impl Sealed for Z0 {}/// 类型系统中的零类型表示
///
/// # 示例
/// ```
/// use type_arithmetic::Z0;
/// 
/// let zero = Z0;
/// ```
#[derive(Eq, PartialEq, Clone, Copy, Debug, Default)]
pub struct Z0;// ========== 加法运算实现 ==========/// 零加零等于零
impl Add<Z0> for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn add(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {Z0}
}/// 零加正数等于该正数
impl<P: Positive> Add<P> for Z0 {type Output = P;#[inline]fn add(self, rhs: P) -> Self::Output {rhs}
}/// 正数加零等于该正数
impl<P: Positive> Add<Z0> for P {type Output = P;#[inline]fn add(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {self}
}/// 负数加零等于该负数
impl<P: Positive> Add<Z0> for Neg<P> {type Output = Neg<P>;#[inline]fn add(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {self}
}// ========== 减法运算实现 ==========/// 零减零等于零
impl Sub for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn sub(self, _rhs: Self) -> Self::Output {Z0}
}/// 零减正数等于对应负数
impl<P: Positive> Sub<P> for Z0 {type Output = Neg<P>;#[inline]fn sub(self, _rhs: P) -> Self::Output {Neg::<P>::default()}
}/// 零减负数等于对应正数
impl<P: Positive> Sub<Neg<P>> for Z0 {type Output = P;#[inline]fn sub(self, _rhs: Neg<P>) -> Self::Output {P::default()}
}/// 正数减零等于该正数
impl<P: Positive> Sub<Z0> for P {type Output = P;#[inline]fn sub(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {self}
}/// 负数减零等于该负数
impl<P: Positive> Sub<Z0> for Neg<P> {type Output = Neg<P>;#[inline]fn sub(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {self}
}// ========== 乘法运算实现 ==========/// 零乘零等于零
impl Mul for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn mul(self, _rhs: Self) -> Self::Output {Z0}
}/// 零乘正数等于零
impl<P: Positive> Mul<P> for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn mul(self, _rhs: P) -> Self::Output {Z0}
}/// 零乘负数等于零
impl<P: Positive> Mul<Neg<P>> for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn mul(self, _rhs: Neg<P>) -> Self::Output {Z0}
}/// 正数乘零等于零
impl<P: Positive> Mul<Z0> for P {type Output = Z0;#[inline]fn mul(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {Z0}
}/// 负数乘零等于零
impl<P: Positive> Mul<Z0> for Neg<P> {type Output = Z0;#[inline]fn mul(self, _rhs: Z0) -> Self::Output {Z0}
}// ========== 除法运算实现 ==========/// 零除以正数等于零
impl<P: Positive> Div<P> for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn div(self, _rhs: P) -> Self::Output {Z0}
}/// 零除以负数等于零
impl<P: Positive> Div<Neg<P>> for Z0 {type Output = Z0;#[inline]fn div(self, _rhs: Neg<P>) -> Self::Output {Z0}
}// 注意：正数/零和负数/零未实现，因为数学上除以零未定义#[cfg(test)]
mod tests {use super::*;use crate::{P1, N1};#[test]fn test_z0_addition() {let zero = Z0;let p1 = P1::default();let n1 = N1::default();assert_eq!(zero + p1, p1);assert_eq!(zero + n1, n1);assert_eq!(p1 + zero, p1);assert_eq!(n1 + zero, n1);}#[test]fn test_z0_subtraction() {let zero = Z0;let p1 = P1::default();let n1 = N1::default();assert_eq!(zero - p1, N1::default());assert_eq!(zero - n1, P1::default());assert_eq!(p1 - zero, p1);assert_eq!(n1 - zero, n1);}#[test]fn test_z0_multiplication() {let zero = Z0;let p2 = P1::default();let n1 = N1::default();assert_eq!(zero * p1, zero);assert_eq!(zero * n1, zero);assert_eq!(p1 * zero, zero);assert_eq!(n1 * zero, zero);}#[test]fn test_z0_division() {let zero = Z0;let p1 = P1::default();let n1 = N1::default();assert_eq!(zero / p1, zero);assert_eq!(zero / n1, zero);}#[test]fn test_z0_interactions() {let zero = Z0;let p1 = P1::default();let n1 = N1::default();assert_eq!(zero + p1, P1::default());assert_eq!((zero - p1) + n1, zero);assert_eq!((p1 + zero) * n1, N1::default());}
}

二、核心概念

Z0类型：表示类型系统中的零值，是一个单元结构体(pub struct Z0;)
特性实现：

实现了Sealed标记trait（一种设计模式，防止外部实现）
实现了Add、Sub、Mul、Div等运算trait

三、运算实现细节

加法运算

Z0 + Z0 = Z0
Z0 + 正数 = 正数
正数 + Z0 = 正数
负数 + Z0 = 负数

减法运算

Z0 - Z0 = Z0
Z0 - 正数 = 对应负数
Z0 - 负数 = 对应正数
正数 - Z0 = 正数
负数 - Z0 = 负数

乘法运算

Z0 * 任何数 = Z0（符合数学中零乘以任何数等于零的规则）

除法运算

Z0 / 正数 = Z0
Z0 / 负数 = Z0
没有实现任何数除以Z0（因为数学上不允许除以零）

四、测试用例

代码包含了详尽的测试用例，验证了：

零与正数(P1)、负数(N1)的加法
零与正负数之间的减法
零与正负数的乘法
零除以正负数的除法
各种运算的组合

五、设计特点

类型安全：所有运算在编译期进行类型检查
零特性：严格遵循数学中零元素的算术特性
扩展性：可以与系统中的其他数值类型（正数、负数）交互
零开销：使用Rust的零成本抽象，运行时没有额外开销

这种类型级编程技术常用于需要编译期计算和验证的场景，如维度检查、单位系统等。

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