The Rust Programming Language 使用包、Crate和模块

Rust 有许多功能可以让你管理代码的组织,包括哪些内容可以被公开,哪些内容作为私有部分,以及程序每个作用域中的名字。这些功能。这有时被称为 “模块系统(the module system)”,包括:

  • 包(Packages): Cargo 的一个功能,它允许你构建、测试和分享 crate。
  • Crates :一个模块的树形结构,它形成了库或二进制项目。
  • 模块(Modules)和 use: 允许你控制作用域和路径的私有性。
  • 路径(path):一个命名例如结构体、函数或模块等项的方式

包和 crate

crate 是一个二进制项或者库。crate root 是一个源文件,Rust 编译器以它为起始点,并构成你的 crate 的根模块。包(package) 是提供一系列功能的一个或者多个 crate。一个包会包含有一个 Cargo.toml 文件,阐述如何去构建这些 crate。

包中所包含的内容由几条规则来确立。一个包中至多 只能 包含一个库 crate(library crate);包中可以包含任意多个二进制 crate(binary crate);包中至少包含一个 crate,无论是库的还是二进制的。

输入命令 cargo new:

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$ cargo new my-project
Created binary (application) `my-project` package
$ ls my-project
Cargo.toml
src
$ ls my-project/src
main.rs

Cargo 会给我们的包创建一个 Cargo.toml 文件。查看 Cargo.toml 的内容,会发现并没有提到 src/main.rs,因为 Cargo 遵循的一个约定:src/main.rs 就是一个与包同名的二进制 crate 的 crate 根。同样的,Cargo 知道如果包目录中包含 src/lib.rs,则包带有与其同名的库 crate,且 src/lib.rs 是 crate 根。crate 根文件将由 Cargo 传递给 rustc 来实际构建库或者二进制项目。

在此,我们有了一个只包含 src/main.rs 的包,意味着它只含有一个名为 my-project 的二进制 crate。如果一个包同时含有 src/main.rs 和 src/lib.rs,则它有两个 crate:一个库和一个二进制项,且名字都与包相同。通过将文件放在 src/bin 目录下,一个包可以拥有多个二进制 crate:每个 src/bin 下的文件都会被编译成一个独立的二进制 crate。

一个 crate 会将一个作用域内的相关功能分组到一起,使得该功能可以很方便地在多个项目之间共享。举一个例子,我们使用的 rand crate 提供了生成随机数的功能。通过将 rand crate 加入到我们项目的作用域中,我们就可以在自己的项目中使用该功能。rand crate 提供的所有功能都可以通过该 crate 的名字:rand 进行访问。

将一个 crate 的功能保持在其自身的作用域中,可以知晓一些特定的功能是在我们的 crate 中定义的还是在 rand crate 中定义的,这可以防止潜在的冲突。例如,rand crate 提供了一个名为 Rng 的特性(trait)。我们还可以在我们自己的 crate 中定义一个名为 Rng 的 struct。因为一个 crate 的功能是在自身的作用域进行命名的,当我们将 rand 作为一个依赖,编译器不会混淆 Rng 这个名字的指向。在我们的 crate 中,它指向的是我们自己定义的 struct Rng。我们可以通过 rand::Rng 这一方式来访问 rand crate 中的 Rng 特性(trait)。

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、外部包和 glob 运算符。

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。模块还可以控制项的 私有性,即项是可以被外部代码使用的(public),还是作为一个内部实现的内容,不能被外部代码使用(private)。

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,在这里,店主可以为顾客安排座位,服务员接受顾客下单和付款,调酒师会制作饮品。后台则是由厨师工作的厨房,洗碗工的工作地点,以及经理做行政工作的地方组成。

我们可以将函数放置到嵌套的模块中,来使我们的 crate 结构与实际的餐厅结构相同。通过执行 cargo new —lib restaurant,来创建一个新的名为 restaurant 的库。然后将所罗列出来的代码放入 src/lib.rs 中,来定义一些模块和函数。

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

fn seat_at_table() {}
}

mod serving {
fn take_order() {}

fn server_order() {}

fn take_payment() {}
}
}

我们定义一个模块,是以 mod 关键字为起始,然后指定模块的名字(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,我们还可以定义其他的模块,就像本例中的 hosting 和 serving 模块。模块还可以保存一些定义的其他项,比如结构体、枚举、常量、特性、或者函数。

通过使用模块,我们可以将相关的定义分组到一起,并指出他们为什么相关。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)。

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

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 B 则是模块 A 的 父(parent)。注意,整个模块树都植根于名为 crate 的隐式模块下。\

路径用于引用模块树中的项

在模块树中找到一个项的位置,我们使用路径的方式,就像在文件系统使用路径一样。如果我们想要调用一个函数,我们需要知道它的路径。

路径有两种形式:

  • 绝对路径(absolute path)从 crate 根开始,以 crate 名或者字面值 crate 开头。
  • 相对路径(relative path)从当前模块开始,以 self、super 或当前模块的标识符开头。
    绝对路径和相对路径都后跟一个或多个由双冒号(::)分割的标识符。

我们如何调用 add_to_waitlist 函数?还是同样的问题,add_to_waitlist 函数的路径是什么?在示例 7-3 中,我们通过删除一些模块和函数,稍微简化了一下我们的代码。我们在 crate 根定义了一个新函数 eat_at_restaurant,并在其中展示调用 add_to_waitlist 函数的两种方法。eat_at_restaurant 函数是我们 crate 库的一个公共API,所以我们使用 pub 关键字来标记它。

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

pub fn eat_at_restaurant() {
// Absolute path
crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

// Relative path
front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
}

第一种方式,我们在 eat_at_restaurant 中调用 add_to_waitlist 函数,使用的是绝对路径。add_to_waitlist 函数与 eat_at_restaurant 被定义在同一 crate 中,这意味着我们可以使用 crate 关键字为起始的绝对路径。

在 crate 后面,我们持续地嵌入模块,直到我们找到 add_to_waitlist。你可以想象出一个相同结构的文件系统,我们通过指定路径 /front_of_house/hosting/add_to_waitlist 来执行 add_to_waitlist 程序。我们使用 crate 从 crate 根开始就类似于在 shell 中使用 / 从文件系统根开始。

第二种方式,我们在 eat_at_restaurant 中调用 add_to_waitlist,使用的是相对路径。这个路径以 front_of_house 为起始,这个模块在模块树中,与 eat_at_restaurant 定义在同一层级。与之等价的文件系统路径就是 front_of_house/hosting/add_to_waitlist。以名称为起始,意味着该路径是相对路径。

选择使用相对路径还是绝对路径,还是要取决于你的项目。取决于你是更倾向于将项的定义代码与使用该项的代码分开来移动,还是一起移动。举一个例子,如果我们要将 front_of_house 模块和 eat_at_restaurant 函数一起移动到一个名为 customer_experience 的模块中,我们需要更新 add_to_waitlist 的绝对路径,但是相对路径还是可用的。然而,如果我们要将 eat_at_restaurant 函数单独移到一个名为 dining 的模块中,还是可以使用原本的绝对路径来调用 add_to_waitlist,但是相对路径必须要更新。我们更倾向于使用绝对路径,因为把代码定义和项调用各自独立地移动是更常见的。

上述代码中,不能编译。错误信息说 hosting 模块是私有的。换句话说,我们拥有 hosting 模块和 add_to_waitlist 函数的的正确路径,但是 Rust 不让我们使用,因为它不能访问私有片段。

模块不仅对于你组织代码很有用。他们还定义了 Rust 的 私有性边界(privacy boundary):这条界线不允许外部代码了解、调用和依赖被封装的实现细节。所以,如果你希望创建一个私有函数或结构体,你可以将其放入模块。

Rust 中默认所有项(函数、方法、结构体、枚举、模块和常量)都是私有的。父模块中的项不能使用子模块中的私有项,但是子模块中的项可以使用他们父模块中的项。这是因为子模块封装并隐藏了他们的实现详情,但是子模块可以看到他们定义的上下文。继续拿餐馆作比喻,把私有性规则想象成餐馆的后台办公室:餐馆内的事务对餐厅顾客来说是不可知的,但办公室经理可以洞悉其经营的餐厅并在其中做任何事情。

Rust 选择以这种方式来实现模块系统功能,因此默认隐藏内部实现细节。这样一来,你就知道可以更改内部代码的哪些部分而不会破坏外部代码。你还可以通过使用 pub 关键字来创建公共项,使子模块的内部部分暴露给上级模块。

使用 pub 关键字暴露路径

父模块中的 eat_at_restaurant 函数可以访问子模块中的 add_to_waitlist 函数,因此我们使用 pub 关键字来标记 hosting 模块

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

pub fn eat_at_restaurant() {
// Absolute path
crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist();

// Relative path
front_of_house::hosting::add_to_waitlist();
}

在绝对路径,我们从 crate,也就是 crate 根开始。然后 crate 根中定义了 front_of_house 模块。front_of_house 模块不是公有的,不过因为 eat_at_restaurant 函数与 front_of_house 定义于同一模块中(即,eat_at_restaurant 和 front_of_house 是兄弟),我们可以从 eat_at_restaurant 中引用 front_of_house。接下来是使用 pub 标记的 hosting 模块。我们可以访问 hosting 的父模块,所以可以访问 hosting。最后,add_to_waitlist 函数被标记为 pub ,我们可以访问其父模块,所以这个函数调用是有效的!

在相对路径,其逻辑与绝对路径相同,除了第一步:不同于从 crate 根开始,路径从 front_of_house 开始。front_of_house 模块与 eat_at_restaurant 定义于同一模块,所以从 eat_at_restaurant 中开始定义的该模块相对路径是有效的。接下来因为 hosting 和 add_to_waitlist 被标记为 pub,路径其余的部分也是有效的,因此函数调用也是有效的!

使用 super 起始的相对路径

我们还可以使用 super 开头来构建从父模块开始的相对路径。这么做类似于文件系统中以 .. 开头的语法。我们为什么要这样做呢?

考虑一下示例代码,它模拟了厨师更正了一个错误订单,并亲自将其提供给客户的情况。fix_incorrect_order 函数通过指定的 super 起始的 serve_order 路径,来调用 serve_order 函数:

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fn serve_order() {}

mod back_of_house {
fn fix_incorrect_order() {
cook_order();
super::serve_order();
}

fn cook_order() {}
}

fix_incorrect_order 函数在 back_of_house 模块中,所以我们可以使用 super 进入 back_of_house 父模块,也就是本例中的 crate 根。在这里,我们可以找到 serve_order。成功!我们认为 back_of_house 模块和 serve_order 函数之间可能具有某种关联关系,并且,如果我们要重新组织这个 crate 的模块树,需要一起移动它们。因此,我们使用 super,这样一来,如果这些代码被移动到了其他模块,我们只需要更新很少的代码。

创建公有的结构体和枚举

我们还可以使用 pub 来设计公有的结构体和枚举,不过有一些额外的细节需要注意。如果我们在一个结构体定义的前面使用了 pub ,这个结构体会变成公有的,但是这个结构体的字段仍然是私有的。我们可以根据情况决定每个字段是否公有。

我们定义了一个公有结构体 back_of_house:Breakfast,其中有一个公有字段 toast 和私有字段 seasonal_fruit。这个例子模拟的情况是,在一家餐馆中,顾客可以选择随餐附赠的面包类型,但是厨师会根据季节和库存情况来决定随餐搭配的水果。餐馆可用的水果变化是很快的,所以顾客不能选择水果,甚至无法看到他们将会得到什么水果。

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mod back_of_house {
pub struct Breakfast {
pub toast: String,
seasonal_fruit: String,
}

impl Breakfast {
pub fn summer(toast: &str) -> Breakfast {
Breakfast {
toast: String::from(toast),
seasonal_fruit: String::from("peaches"),
}
}
}
}

pub fn eat_at_restaurant() {
// Order a breakfast in the summer with Rye toast
let mut meal = back_of_house::Breakfast::summer("Rye");
// Change our mind about what bread we'd like
meal.toast = String::from("Wheat");
println!("I'd like {} toast please", meal.toast);

// The next line won't compile if we uncomment it; we're not allowed
// to see or modify the seasonal fruit that comes with the meal
// meal.seasonal_fruit = String::from("blueberries");
}

因为 back_of_house::Breakfast 结构体的 toast 字段是公有的,所以我们可以在 eat_at_restaurant 中使用点号来随意的读写 toast 字段。注意,我们不能在 eat_at_restaurant 中使用 seasonal_fruit 字段,因为 seasonal_fruit 是私有的。

还请注意一点,因为 back_of_house::Breakfast 具有私有字段,所以这个结构体需要提供一个公共的关联函数来构造 Breakfast 的实例(这里我们命名为 summer)。如果 Breakfast 没有这样的函数,我们将无法在 eat_at_restaurant 中创建 Breakfast 实例,因为我们不能在 eat_at_restaurant 中设置私有字段 seasonal_fruit 的值。

与之相反,如果我们将枚举设为公有,则它的所有成员都将变为公有。我们只需要在 enum 关键字前面加上 pub。

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mod back_of_house {
pub enum Appetizer {
Soup,
Salad,
}
}

pub fn eat_at_restaurant() {
let order1 = back_of_house::Appetizer::Soup;
let order2 = back_of_house::Appetizer::Salad;
}

因为我们创建了名为 Appetizer 的公有枚举,所以我们可以在 eat_at_restaurant 中使用 Soup 和 Salad 成员。如果枚举成员不是公有的,那么枚举会显得用处不大;给枚举的所有成员挨个添加 pub 是很令人恼火的,因此枚举成员默认就是公有的。结构体通常使用时,不必将它们的字段公有化,因此结构体遵循常规,内容全部是私有的,除非使用 pub 关键字。

使用 use 关键字将名称引入作用域

无论我们选择 add_to_waitlist 函数的绝对路径还是相对路径,每次我们想要调用 add_to_waitlist 时,都必须指定front_of_house 和 hosting。幸运的是,有一种方法可以简化这个过程。我们可以使用 use 关键字将路径一次性引入作用域,然后调用该路径中的项,就如同它们是本地项一样。

将 crate::front_of_house::hosting 模块引入了 eat_at_restaurant 函数的作用域,而我们只需要指定 hosting::add_to_waitlist 即可在 eat_at_restaurant 中调用 add_to_waitlist 函数。

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

use crate::front_of_house::hosting;

pub fn eat_at_restaurant() {
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
}

在作用域中增加 use 和路径类似于在文件系统中创建软连接(符号连接,symbolic link)。通过在 crate 根增加 use crate::front_of_house::hosting,现在 hosting 在作用域中就是有效的名称了,如同 hosting 模块被定义于 crate 根一样。通过 use 引入作用域的路径也会检查私有性,同其它路径一样。

你还可以使用 use 和相对路径来将一个项引入作用域。

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

use front_of_house::hosting;

pub fn eat_at_restaurant() {
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
}

创建惯用的 use 路径

指定 use crate::front_of_house::hosting ,然后在 eat_at_restaurant 中调用 hosting::add_to_waitlist ,而不是通过指定一直到 add_to_waitlist 函数的 use 路径来得到相同的结果

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

use crate::front_of_house::hosting::add_to_waitlist;

pub fn eat_at_restaurant() {
add_to_waitlist();
add_to_waitlist();
add_to_waitlist();
}

要想使用 use 将函数的父模块引入作用域,我们必须在调用函数时指定父模块,这样可以清晰地表明函数不是在本地定义的,同时使完整路径的重复度最小化。

另一方面,使用 use 引入结构体、枚举和其他项时,习惯是指定它们的完整路径。

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use std::collections::HashMap;

fn main() {
let mut map = HashMap::new();
map.insert(1, 2);
}

使用 as 关键字提供新的名称

使用 use 将两个同名类型引入同一作用域这个问题还有另一个解决办法:在这个类型的路径后面,我们使用 as 指定一个新的本地名称或者别名。

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use std::fmt::Result;
use std::io::Result as IoResult;

fn function1() -> Result {
// --snip--
}

fn function2() -> IoResult<()> {
// --snip--
}

使用 pub use 重导出名称

当使用 use 关键字将名称导入作用域时,在新作用域中可用的名称是私有的。如果为了让调用你编写的代码的代码能够像在自己的作用域内引用这些类型,可以结合 pub 和 use。这个技术被称为 “重导出(re-exporting)”,因为这样做将项引入作用域并同时使其可供其他代码引入自己的作用域。

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

pub use crate::front_of_house::hosting;

pub fn eat_at_restaurant() {
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
}

通过 pub use,现在可以通过新路径 hosting::add_to_waitlist 来调用 add_to_waitlist 函数。如果没有指定 pub use,eat_at_restaurant 函数可以在其作用域中调用 hosting::add_to_waitlist,但外部代码则不允许使用这个新路径。

当你的代码的内部结构与调用你的代码的程序员的思考领域不同时,重导出会很有用。例如,在这个餐馆的比喻中,经营餐馆的人会想到“前台”和“后台”。但顾客在光顾一家餐馆时,可能不会以这些术语来考虑餐馆的各个部分。使用 pub use,我们可以使用一种结构编写代码,却将不同的结构形式暴露出来。这样做使我们的库井井有条,方便开发这个库的程序员和调用这个库的程序员之间组织起来。

嵌套路径来消除大量的 use 行

当需要引入很多定义于相同包或相同模块的项时,为每一项单独列出一行会占用源码很大的空间。

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use std::cmp::Ordering;
use std::io;

相反,我们可以使用嵌套路径将相同的项在一行中引入作用域。这么做需要指定路径的相同部分,接着是两个冒号,接着是大括号中的各自不同的路径部分。

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use std::{cmp::Ordering, io};

在较大的程序中,使用嵌套路径从相同包或模块中引入很多项,可以显著减少所需的独立 use 语句的数量!

我们可以在路径的任何层级使用嵌套路径,这在组合两个共享子路径的 use 语句时非常有用。

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use std::io;
use std::io::Write;

两个路径的相同部分是 std::io,这正是第一个路径。为了在一行 use 语句中引入这两个路径,可以在嵌套路径中使用 self

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use std::io::{self, Write};

这一行便将 std::io 和 std::io::Write 同时引入作用域。

通过 glob 运算符将所有的公有定义引入作用域

如果希望将一个路径下 所有 公有项引入作用域,可以指定路径后跟 *,glob 运算符:

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use std::collections::*;

这个 use 语句将 std::collections 中定义的所有公有项引入当前作用域。使用 glob 运算符时请多加小心!Glob 会使得我们难以推导作用域中有什么名称和它们是在何处定义的。

glob 运算符经常用于测试模块 tests 中,这时会将所有内容引入作用域。

将模块分割进不同文件

将 front_of_house 模块移动到属于它自己的文件 src/front_of_house.rs 中,通过改变 crate 根文件,使其包含示例 7-21 所示的代码。在这个例子中,crate 根文件是 src/lib.rs,这也同样适用于以 src/main.rs 为 crate 根文件的二进制 crate 项。

src/lib.rs

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mod front_of_house;

pub use crate::front_of_house::hosting;

pub fn eat_at_restaurant() {
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
hosting::add_to_waitlist();
}

src/front_of_house.rs
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pub mod hosting {
pub fn add_to_waitlist() {}
}

在 mod front_of_house 后使用分号,而不是代码块,这将告诉 Rust 在另一个与模块同名的文件中加载模块的内容。继续重构我们例子,将 hosting 模块也提取到其自己的文件中,仅对 src/front_of_house.rs 包含 hosting 模块的声明进行修改:

src/front_of_house.rs

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pub mod hosting;

src/front_of_house/hosting.rs

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pub fn add_to_waitlist() {}

模块树依然保持相同,eat_at_restaurant 中的函数调用也无需修改继续保持有效,即便其定义存在于不同的文件中。这个技巧让你可以在模块代码增长时,将它们移动到新文件中。

Rust 提供了将包分成多个 crate,将 crate 分成模块,以及通过指定绝对或相对路径从一个模块引用另一个模块中定义的项的方式。你可以通过使用 use 语句将路径引入作用域,这样在多次使用时可以使用更短的路径。模块定义的代码默认是私有的,不过可以选择增加 pub 关键字使其定义变为公有。


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