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。
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u8
和String
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) }
}
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u8
和String
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]
和#[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。
Rust 通过一个叫做“trait 对象”的功能提供动态分发。比如说&Foo
、Box<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
的&mut T
以及Box<Foo>
的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。
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。
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T
的Foo
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。size
和align
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Foo
trait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);
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:
Self: Sized
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:
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”。