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Rust 中 Trait 的使用及实现分析

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Rust 中 Trait 的使用及实现分析

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May 08, 2021 at 05:41PM

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from: github-actions[bot] on: 5/8/2021

Rust 中 Trait 的使用及实现分析 by Rust语言中文社区

2021-05-07

  • 使用方式
  • 基本用法

  • 静态派发

  • 动态派发

  • impl trait

  • 高阶用法

  • 关联类型

  • Derive

  • 常见问题

  • 向上转型（upcast）

  • 向下转型（downcast）

  • Object safety

  • 总结

  • 参考

在 Rust 设计目标中，零成本抽象是非常重要的一条，它让 Rust 具备高级语言表达能力的同时，又不会带来性能损耗。零成本的基石是泛型与 trait，它们可以在编译期把高级语法编译成与高效的底层代码，从而实现运行时的高效。这篇文章就来介绍 trait，包括使用方式与三个常见问题的分析，在问题探究的过程中来阐述其实现原理。

本文最先发表于 RustMagazine 中文月刊（https://rustmagazine.github.io/rust\_magazine\_2021/chapter\_4/ant\_trait.html）

使用方式

基本用法

Trait 的主要作用是用来抽象行为，类似于其他编程语言中的「接口」，这里举一示例阐述 trait 的基本使用方式：

trait Greeting {

在上述代码中，定义了一个 trait Greeting，两个 struct 实现了它，根据函数调用方式，主要两种使用方式：

  • 基于泛型的静态派发

  • 基于 trait object 的动态派发

泛型的概念比较常见，这里着重介绍下 trait object：

A trait object is an opaque value of another type that implements a set of traits. The set of traits is made up of an object safe base trait plus any number of auto traits.

比较重要的一点是 trait object 属于 Dynamically Sized Types（DST），在编译期无法确定大小，只能通过指针来间接访问，常见的形式有 Box<dyn trait> &dyn trait 等。

fn print_greeting_static<G: Greeting>(g: G) {

静态派发

在 Rust 中，泛型的实现采用的是单态化（monomorphization），会针对不同类型的调用者，在编译时生成不同版本的函数，所以泛型也被称为类型参数。好处是没有虚函数调用的开销，缺点是最终的二进制文件膨胀。在上面的例子中， print_greeting_static 会编译成下面这两个版本：

print_greeting_static_cat(Cat);

动态派发

不是所有函数的调用都能在编译期确定调用者类型，一个常见的场景是 GUI 编程中事件响应的 callback，一般来说一个事件可能对应多个 callback 函数，而这些 callback 函数都是在编译期不确定的，因此泛型在这里就不适用了，需要采用动态派发的方式：

trait ClickCallback {

impl trait

在 Rust 1.26 版本中，引入了一种新的 trait 使用方式，即：impl trait，可以用在两个地方：函数参数与返回值。该方式主要是简化复杂 trait 的使用，算是泛型的特例版，因为在使用 impl trait 的地方，也是静态派发，而且作为函数返回值时，数据类型只能有一种，这一点要尤为注意！

fn print_greeting_impl(g: impl Greeting) {

高阶用法

关联类型

在上面介绍的基本用法中，trait 中方法的参数或返回值类型都是确定的，Rust 提供了类型「惰性绑定」的机制，即关联类型（associated type），这样就能在实现 trait 时再来确定类型，一个常见的例子是标准库中的 Iterator，next 的返回值为 Self::Item ：

trait Iterator {

关联类型的使用和泛型相似，Iterator 也可使用泛型来定义：

pub trait Iterator<T> {

它们的区别主要在于：

  • 一个特定类型（比如上文中的 Cat）可以多次实现泛型 trait。比如对于 From，可以有 impl From<&str> for Cat 也可以有 impl From<String> for Cat

  • 但是对于关联类型的 trait，只能实现一次。比如对于 FromStr，只能有 impl FromStr for Cat ，类似的 trait 还有 Iterator Deref

Derive

在 Rust 中，可以使用 derive 属性来实现一些常用的 trait，比如：Debug/Clone 等，对于用户自定义的 trait，也可以实现过程宏支持 derive，具体可参考：How to write a custom derive macro?（https://stackoverflow.com/questions/53135923/how-to-write-a-custom-derive-macro/53136446#53136446） ，这里不再赘述。

常见问题

向上转型（upcast）

对于 trait SubTrait: Base ，在目前的 Rust 版本中，是无法将 &dyn SubTrait 转换到 &dyn Base的。这个限制与 trait object 的内存结构有关。

在 Exploring Rust fat pointers（https://iandouglasscott.com/2018/05/28/exploring-rust-fat-pointers/） 一文中，该作者通过 transmute 将 trait object 的引用转为两个 usize，并且验证它们是指向数据与函数虚表的指针：

use std::mem::transmute;

从这里可以看出：Rust 使用 fat pointer（即两个指针） 来表示 trait object 的引用，分布指向 data 与 vtable，这和 Go 中的 interface 十分类似。

pub struct TraitObjectReference {

尽管 fat pointer 导致指针体积变大（无法使用 Atomic 之类指令），但是好处是更明显的：

  1. 可以为已有类型实现 trait（比如 blanket implementations）

  2. 调用虚表中的函数时，只需要引用一次，而在 C++ 中，vtable 是存在对象内部的，导致每一次函数调用都需要两次引用，如下图所示：

如果 trait 有继承关系时，vtable 是怎么存储不同 trait 的方法的呢？在目前的实现中，是依次存放在一个 vtable 中的，如下图：

可以看到，所有 trait 的方法是顺序放在一起，并没有区分方法属于哪个 trait，这样也就导致无法进行 upcast，社区内有 RFC 2765 在追踪这个问题，感兴趣的读者可参考，这里就不讨论解决方案了，介绍一种比较通用的解决方案，通过引入一个 AsBase 的 trait 来解决：

trait Base {

向下转型（downcast）

向下转型是指把一个 trait object 再转为之前的具体类型，Rust 提供了 Any 这个 trait 来实现这个功能。

pub trait Any: 'static {

大多数类型都实现了 Any，只有那些包含非 'static 引用的类型没有实现。通过 type_id 就能够在运行时判断类型，下面看一示例：

use std::any::Any;

上面的代码重点在 downcast_ref，其实现为： 

pub fn downcast_ref<T: Any>(&self) -> Option<&T> {

可以看到，在类型一致时，通过 unsafe 代码把 trait object 引用的第一个指针（即 data 指针）转为了指向具体类型的引用。

Object safety

在 Rust 中，并不是所有的 trait 都可用作 trait object，需要满足一定的条件，称之为 object safety 属性。主要有以下几点：

  1. 函数返回类型不能是 Self（即当前类型）。这主要因为把一个对象转为 trait object 后，原始类型信息就丢失了，所以这里的 Self 也就无法确定了。

  2. 函数中不允许有泛型参数。主要原因在于单态化时会生成大量的函数，很容易导致 trait 内的方法膨胀。比如

trait Trait {
  1. Trait 不能”继承(trait bound)” Sized。这是由于 Rust 会默认为 trait object 实现该 trait，生成类似下面的代码：
    如果 Foo 继承了 Sized，那么就要求 trait object 也是 Sized，而 trait object 是 DST 类型，属于 ?Sized ，所以 trait 不能继承 Sized。
    对于非 safe 的 trait，能修改成 safe 是最好的方案，如果不能，可以尝试泛型的方式。
trait Foo {

总结

本文开篇就介绍了 trait 是实现零成本抽象的基础，通过 trait 可以为已有类型增加新方法，这其实解决了表达式问题，可以进行运算符重载，可以进行面向接口编程等。希望通过本文的分析，可以让读者更好的驾驭 trait 的使用，在面对编译器错误时，能够做到游刃有余。

参考

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