Rust 中 Trait 的使用及实现分析

MikeLoveRust

发布于 2021-05-11 11:42:16

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发布于 2021-05-11 11:42:16

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 {
    fn greeting(&self) -> &str;
}
struct Cat;
impl Greeting for Cat {
    fn greeting(&self) -> &str {
        "Meow!"
    }
}
struct Dog;
impl Greeting for Dog {
    fn greeting(&self) -> &str {
        "Woof!"
    }
}

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) {
    println!("{}", g.greeting());
}
fn print_greeting_dynamic(g: Box<dyn Greeting>) {
    println!("{}", g.greeting());
}
print_greeting_static(Cat);
print_greeting_static(Dog);
print_greeting_dynamic(Box::new(Cat));
print_greeting_dynamic(Box::new(Dog));

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);
print_greeting_static_dog(Dog);

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 {
    fn on_click(&self, x: i64, y: i64);
}
struct Button {
    listeners: Vec<Box<dyn 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) {
    println!("{}", g.greeting());
}
print_greeting_impl(Cat);
print_greeting_impl(Dog);
// 下面代码会编译报错
fn return_greeting_impl(i: i32) -> impl Greeting {
    if i > 10 {
        return Cat;
    }
    Dog
}
// | fn return_greeting_impl(i: i32) -> impl Greeting {
// |                                    ------------- expected because this return type...
// |     if i > 10 {
// |         return Cat;
// |                --- ...is found to be `Cat` here
// |     }
// |     Dog
// |     ^^^ expected struct `Cat`, found struct `Dog`

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 {
    type Item;
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}
/// 一个只输出偶数的示例
struct EvenNumbers {
    count: usize,
    limit: usize,
}
impl Iterator for EvenNumbers {
    type Item = usize;
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        if self.count > self.limit {
            return None;
        }
        let ret = self.count * 2;
        self.count += 1;
        Some(ret)
    }
}
fn main() {
    let nums = EvenNumbers { count: 1, limit: 5 };
    for n in nums {
        println!("{}", n);
    }
}
// 依次输出  2 4 6 8 10

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> {
    fn next(&mut self) -> Option<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;
use std::fmt::Debug;
fn main() {
    let v = vec![1, 2, 3, 4];
    let a: &Vec<u64> = &v;
    // 转为 trait object
    let b: &dyn Debug = &v;
    println!("a: {}", a as *const _ as usize);
    println!("b: {:?}", unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(b) });
}
// a: 140735227204568
// b: (140735227204568, 94484672107880)

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 {
    pub data: *mut (),
    pub vtable: *mut (),
}
struct Vtable {
    destructor: fn(*mut ()),
    size: usize,
    align: usize,
    method: fn(*const ()) -> String,
}

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：

可以为已有类型实现 trait（比如 blanket implementations）
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 {
    fn base(&self) {
        println!("base...");
    }
}
trait AsBase {
    fn as_base(&self) -> &dyn Base;
}
// blanket implementation
impl<T: Base> AsBase for T {
    fn as_base(&self) -> &dyn Base {
        self
    }
}
trait Foo: AsBase {
    fn foo(&self) {
        println!("foo..");
    }
}
#[derive(Debug)]
struct MyStruct;
impl Foo for MyStruct {}
impl Base for MyStruct {}
fn main() {
    let s = MyStruct;
    let foo: &dyn Foo = &s;
    foo.foo();
    let base: &dyn Base = foo.as_base();
    base.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 {
    fn type_id(&self) -> TypeId;
}

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;
trait Greeting {
    fn greeting(&self) -> &str;
    fn as_any(&self) -> &dyn Any;
}
struct Cat;
impl Greeting for Cat {
    fn greeting(&self) -> &str {
        "Meow!"
    }
    fn as_any(&self) -> &dyn Any {
        self
    }
}
fn main() {
    let cat = Cat;
    let g: &dyn Greeting = &cat;
    println!("greeting {}", g.greeting());
    // &Cat 类型
    let downcast_cat = g.as_any().downcast_ref::<Cat>().unwrap();
    println!("greeting {}", downcast_cat.greeting());
}

上面的代码重点在 downcast_ref，其实现为：

pub fn downcast_ref<T: Any>(&self) -> Option<&T> {
    if self.is::<T>() {
        unsafe { Some(&*(self as *const dyn Any as *const T)) }
    } else {
        None
    }
}

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：

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。
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 {
    fn foo<T>(&self, on: T);
    // more methods
}
// 10 implementations
fn call_foo(thing: Box<Trait>) {
    thing.foo(true); // this could be any one of the 10 types above
    thing.foo(1);
    thing.foo("hello");
}
// 总共会有 10 * 3 = 30 个实现

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 {
    fn method1(&self);
    fn method2(&mut self, x: i32, y: String) -> usize;
}
// autogenerated impl
impl Foo for TraitObject {
    fn method1(&self) {
        // `self` is an `&Foo` trait object.
        // load the right function pointer and call it with the opaque data pointer
        (self.vtable.method1)(self.data)
    }
    fn method2(&mut self, x: i32, y: String) -> usize {
        // `self` is an `&mut Foo` trait object
        // as above, passing along the other arguments
        (self.vtable.method2)(self.data, x, y)
    }
}

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

想要改变世界的 Rust 语言: https://www.infoq.cn/article/Uugi_eIJusEka1aSPmQM
Abstraction without overhead: traits in Rust: https://blog.rust-lang.org/2015/05/11/traits.html
Advanced Traits: https://doc.rust-lang.org/book/ch19-03-advanced-traits.html
Peeking inside Trait Objects: http://huonw.github.io/blog/2015/01/peeking-inside-trait-objects/
Object Safety: http://huonw.github.io/blog/2015/01/object-safety/
Interface Dispatch: https://lukasatkinson.de/2018/interface-dispatch/
3 Things to Try When You Can't Make a Trait Object: https://www.possiblerust.com/pattern/3-things-to-try-when-you-can-t-make-a-trait-object