KaiserY · 更新于 2018-11-28 11:00:43

trait 对象

trait-objects.md
commit 6ba952020fbc91bad64be1ea0650bfba52e6aab4

当涉及到多态的代码时,我们需要一个机制来决定哪个具体的版本应该得到执行。这叫做“分发”(dispatch)。大体上有两种形式的分发:静态分发和动态分发。虽然 Rust 喜欢静态分发,不过它也提供了一个叫做“trait 对象”的机制来支持动态分发。

背景

在本章接下来的内容中,我们需要一个 trait 和一些实现。让我们来创建一个简单的Foo。它有一个返回String的方法。

trait Foo {
    fn method(&self) -> String;
}

我们也在u8String上实现了这个trait:

# trait Foo { fn method(&self) -> String; }
impl Foo for u8 {
    fn method(&self) -> String { format!("u8: {}", *self) }
}

impl Foo for String {
    fn method(&self) -> String { format!("string: {}", *self) }
}

静态分发

我们可以使用 trait 的限制来进行静态分发:

# trait Foo { fn method(&self) -> String; }
# impl Foo for u8 { fn method(&self) -> String { format!("u8: {}", *self) } }
# impl Foo for String { fn method(&self) -> String { format!("string: {}", *self) } }
fn do_something<T: Foo>(x: T) {
    x.method();
}

fn main() {
    let x = 5u8;
    let y = "Hello".to_string();

    do_something(x);
    do_something(y);
}

在这里 Rust 用“单态”来进行静态分发。这意味着 Rust 会为u8String分别创建一个特殊版本的的do_something(),然后将对do_something的调用替换为这些特殊函数。也就是说,Rust 生成了一些像这样的函数:

# trait Foo { fn method(&self) -> String; }
# impl Foo for u8 { fn method(&self) -> String { format!("u8: {}", *self) } }
# impl Foo for String { fn method(&self) -> String { format!("string: {}", *self) } }
fn do_something_u8(x: u8) {
    x.method();
}

fn do_something_string(x: String) {
    x.method();
}

fn main() {
    let x = 5u8;
    let y = "Hello".to_string();

    do_something_u8(x);
    do_something_string(y);
}

这样做的一个很大的优点在于:静态分发允许函数被内联调用,因为调用者在编译时就知道它,内联对编译器进行代码优化十分有利。静态分发能提高程序的运行效率,不过相应的也有它的弊端:会导致“代码膨胀”(code bloat)。因为在编译出的二进制程序中,同样的函数,对于每个类型都会有不同的拷贝存在。

此外,编译器也不是完美的并且“优化”后的代码可能更慢。例如,过度的函数内联会导致指令缓存膨胀(缓存控制着我们周围的一切)。这也是为何要谨慎使用#[inline]#[inline(always)]的部分原因。另外一个使用动态分发的原因是,在一些情况下,动态分发更有效率。

然而,常规情况下静态分发更有效率,并且我们总是可以写一个小的静态分发的封装函数来进行动态分发,不过反过来不行,这就是说静态调用更加灵活。因为这个原因标准库尽可能的使用了静态分发。

动态分发

Rust 通过一个叫做“trait 对象”的功能提供动态分发。比如说&FooBox<Foo>这些就是trait对象。它们是一些值,值中储存实现了特定 trait 的任意类型。它的具体类型只能在运行时才能确定。

从一些实现了特定trait的类型的指针中,可以从通过转型(casting)(例如,&x as &Foo)或者强制转型(coercing it)(例如,把&x当做参数传递给一个接收&Foo类型的函数)来取得trait对象。

这些 trait 对象的强制多态和转型也适用于类似于&mut Foo&mut T以及Box<Foo>Box<T>这样的指针,也就是目前为止我们讨论到的所有指针。强制转型和转型是一样的。

这个操作可以被看作“清除”编译器关于特定类型指针的信息,因此trait对象有时被称为“类型清除”(type erasure)。

回到上面的例子,我们可以使用相同的 trait,通过 trait 对象的转型(casting)来进行动态分发:

# trait Foo { fn method(&self) -> String; }
# impl Foo for u8 { fn method(&self) -> String { format!("u8: {}", *self) } }
# impl Foo for String { fn method(&self) -> String { format!("string: {}", *self) } }

fn do_something(x: &Foo) {
    x.method();
}

fn main() {
    let x = 5u8;
    do_something(&x as &Foo);
}

或者通过强制转型(by concercing):

# trait Foo { fn method(&self) -> String; }
# impl Foo for u8 { fn method(&self) -> String { format!("u8: {}", *self) } }
# impl Foo for String { fn method(&self) -> String { format!("string: {}", *self) } }

fn do_something(x: &Foo) {
    x.method();
}

fn main() {
    let x = "Hello".to_string();
    do_something(&x);
}

一个使用trait对象的函数并没有为每个实现了Foo的类型专门生成函数:它只有一份函数的代码,一般(但不总是)会减少代码膨胀。然而,因为调用虚函数,会带来更大的运行时开销,也会大大地阻止任何内联以及相关优化的进行。

为什么用指针?

和很多托管语言不一样,Rust 默认不用指针来存放数据,因此类型有着不同的大小。在编译时知道值的大小(size),以及了解把值作为参数传递给函数、值在栈上移动、值在堆上分配(或释放)并储存等情况,对于 Rust 程序员来说是很重要的。

对于Foo,我们需要一个值至少是一个String(24字节)或一个u8(1字节),或者其它crate中可能实现了Foo(任意字节)的其他类型。如果值没有使用指针存储,我们无法保证代码能对其他类型正常运作,因为其它类型可以是任意大小的。

用指针来储存值意味着当我们使用 trait 对象时值的大小(size)是无关的,只与指针的大小(size)有关。

表现(Representation)

可以在一个 trait 对象上通过一个特殊的函数指针的记录调用的特性函数通常叫做“虚函数表”(由编译器创建和管理)。

trait 对象既简单又复杂:它的核心表现和设计是十分直观的,不过这有一些难懂的错误信息和诡异行为有待发掘。

让我们从一个简单的,带有 trait 对象的运行时表现开始。std::raw模块包含与复杂的内建类型有相同结构的结构体,包括trait对象

# mod foo {
pub struct TraitObject {
    pub data: *mut (),
    pub vtable: *mut (),
}
# }

这就是了,一个trait对象就像包含一个“数据”指针和“虚函数表”指针的&Foo

数据指针指向 trait 对象保存的数据(某个未知的类型T),和一个虚表指针指向对应TFoo实现的虚函数表。

一个虚表本质上是一个函数指针的结构体,指向每个函数实现的具体机器码。一个像trait_object.method()的函数调用会从虚表中取出正确的指针然后进行一个动态调用。例如:

struct FooVtable {
    destructor: fn(*mut ()),
    size: usize,
    align: usize,
    method: fn(*const ()) -> String,
}

// u8:

fn call_method_on_u8(x: *const ()) -> String {
    // the compiler guarantees that this function is only called
    // with `x` pointing to a u8
    let byte: &u8 = unsafe { &*(x as *const u8) };

    byte.method()
}

static Foo_for_u8_vtable: FooVtable = FooVtable {
    destructor: /* compiler magic */,
    size: 1,
    align: 1,

    // cast to a function pointer
    method: call_method_on_u8 as fn(*const ()) -> String,
};

// String:

fn call_method_on_String(x: *const ()) -> String {
    // the compiler guarantees that this function is only called
    // with `x` pointing to a String
    let string: &String = unsafe { &*(x as *const String) };

    string.method()
}

static Foo_for_String_vtable: FooVtable = FooVtable {
    destructor: /* compiler magic */,
    // values for a 64-bit computer, halve them for 32-bit ones
    size: 24,
    align: 8,

    method: call_method_on_String as fn(*const ()) -> String,
};

在每个虚表中的destructor字段指向一个会清理虚表类型的任何资源的函数,对于u8是普通的,不过对于String它会释放内存。这对于像Box<Foo>这类有所有权的trait对象来说是必要的,它需要在离开作用域后清理Box以及它内部的类型所分配的。sizealign字段储存需要清除类型的大小和它的对齐情况;它们原理上是无用的因为这些信息已经嵌入了析构函数中,不过在将来会被使用到,因为 trait 对象正日益变得更灵活。

假设我们有一些实现了Foo的值,那么显式的创建和使用Footrait对象可能看起来有点像这个(忽略不匹配的类型,它们只是指针而已):

let a: String = "foo".to_string();
let x: u8 = 1;

// let b: &Foo = &a;
let b = TraitObject {
    // store the data
    data: &a,
    // store the methods
    vtable: &Foo_for_String_vtable
};

// let y: &Foo = x;
let y = TraitObject {
    // store the data
    data: &x,
    // store the methods
    vtable: &Foo_for_u8_vtable
};

// b.method();
(b.vtable.method)(b.data);

// y.method();
(y.vtable.method)(y.data);

对象安全(Object Safety)

并不是所有 trait 都可以被用来作为一个 trait 对象。例如,vector 实现了Clone,不过如果我们尝试创建一个 trait 对象:

let v = vec![1, 2, 3];
let o = &v as &Clone;

我们得到一个错误:

error: cannot convert to a trait object because trait `core::clone::Clone` is not object-safe [E0038]
let o = &v as &Clone;
        ^~
note: the trait cannot require that `Self : Sized`
let o = &v as &Clone;
        ^~

错误表明Clone并不是“对象安全的(object-safe)”。只有对象安全的 trait 才能成为 trait 对象。一个对象安全的 trait 需要如下两条为真:

  • trait 并不要求Self: Sized
  • 所有的方法是对象安全的

那么什么让一个方法是对象安全的呢?每一个方法必须要求Self: Sized或者如下所有:

  • 必须没有任何类型参数
  • 必须不使用Self

好的。如你所见,几乎所有的规则都谈到了Self。一个直观的理解是“除了特殊情况,如果你的 trait 的方法使用了Self,它就不是对象安全的”。

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