Rust特征对象(Trait Object)

zy010101

发布于 2023-03-15 09:18:12

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发布于 2023-03-15 09:18:12

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特征对象(Trait Object)

前面学习的泛型，特征。它们都只能实现静态多态。它们和类型的绑定发生在编译期。如何让其实现C++中“父类指针指向子类对象”，从而实现运行时的多态。为了解决这个问题，Rust引入了——特征对象。

特征对象定义

我们直接来看一段代码。它展示了特征对象的两种定义方式。

// 定义特征Draw
trait Draw {
    fn draw(&self) -> String;
}

// 为u8类型实现Draw特征
impl Draw for u8 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("u8: {}", *self)
    }
}
// 为f64类型实现Draw特征
impl Draw for f64 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("f64: {}", *self)
    }
}

// 若 T 实现了 Draw 特征， 则调用该函数时传入的 Box<T> 可以被隐式转换成函数参数签名中的 Box<dyn Draw>
fn draw1(x: Box<dyn Draw>) {
    // 由于实现了 Deref 特征，Box 智能指针会自动解引用为它所包裹的值，然后调用该值对应的类型上定义的 `draw` 方法
    println!("{}", x.draw());
    
}

fn draw2(x: &dyn Draw) {
    println!("{}", x.draw());
}

fn main() {
    let x = 1.1f64;
    let y = 8u8;

    //可以通过 & 引用或者 Box<T> 智能指针的方式来创建特征对象，下面分别通过两种方式来展示创建的特征对象。

    // x 和 y 的类型 T 都实现了 `Draw` 特征，因为 Box<T> 可以在函数调用时隐式地被转换为特征对象 Box<dyn Draw> 
    // 基于 x 的值创建一个 Box<f64> 类型的智能指针，指针指向的数据被放置在了堆上
    println!("通过Box<T>创建的特征对象");
    draw1(Box::new(x));
    // 基于 y 的值创建一个 Box<u8> 类型的智能指针
    draw1(Box::new(y));

    println!("通过引用创建的特征对象:");
    draw2(&x);
    draw2(&y);
}

这段代码中我们首先定义了特征Draw，然后为u8和f64类型实现了特征Draw。我们的重点是Box::new和dyn。

draw1 函数的参数是 Box<dyn Draw> 形式的特征对象，该特征对象是通过 Box::new(x) 的方式创建的
draw2 函数的参数是 &dyn Draw 形式的特征对象，该特征对象是通过 &x 的方式创建的
dyn 关键字只用在特征对象的类型声明上，在创建时无需使用 dyn

有了特征对象，就实现了鸭子类型。我们可以在一个Vector中存放特征对象，从而实现不同类型的存储的容器。注意&dyn和Box<dyn>都是在编译期已知大小的。关于特征对象的动态分发请看这里。如果还是没明白动态绑定，还可以看一下的参考资料。

特征对象的限制

只有对象安全（object-safe）的 trait 可以实现为特征对象。这里有一些复杂的规则来实现 trait 的对象安全，但在实践中，只有两个相关的规则。如果一个 trait 中定义的所有方法都符合以下规则，则该 trait 是对象安全的：

返回值不是 Self
没有泛型类型的参数

Self 关键字是我们在 trait 与方法上的实现的别称，trait 对象必须是对象安全的，因为一旦使用 trait 对象，Rust 将不再知晓该实现的返回类型。如果一个 trait 的方法返回了一个 Self 类型，但是该 trait 对象忘记了 Self 的确切类型，那么该方法将不能使用原本的类型。当 trait 使用具体类型填充的泛型类型时也一样：具体类型成为实现 trait 的对象的一部分，当使用 trait 对象时，会忘了类型是什么，无法知道应该用什么类型来填充泛型类。特征对象会丢失掉原来的类型。例如：

// 若 T 实现了 Draw 特征， 则调用该函数时传入的 Box<T> 可以被隐式转换成函数参数签名中的 Box<dyn Draw>
fn draw1(x: Box<dyn Draw>) {
    // 由于实现了 Deref 特征，Box 智能指针会自动解引用为它所包裹的值，然后调用该值对应的类型上定义的 `draw` 方法
    println!("{}", x.draw());
    
    // x.clone();   // 错误
}

上述代码中的x是特征对象，它会丢失掉原来的类型，它无法调用u8类型或者f64类型所拥有的方法和特征，因为x现在只知道自己是Draw的特征对象。

一个非对象安全的 trait 例子是标准库中的 Clone trait。Clone trait 中的 clone 方法的声明如下：

pub trait Clone {
    fn clone(&self) -> Self;
}

String 类型实现了 Clone trait，当我们在 String 的实例对象上调用 clone 方法时，我们会得到一个 String 类型实例对象。相似地，如果我们调用 Vec<T> 实例对象上的 clone 方法，我们会得到一个 Vec<T> 类型的实例对象。clone 方法的标签需要知道哪个类型是 Self 类型，因为 Self 是它的返回类型。

当我们尝试编译一些违反 trait 对象的对象安全规则的代码时，我们会收到编译器的提示。例如，我们想实现函数参数接受一个 Clone 特征对象。

fn te(x: Box<dyn Clone>) {
    println!("Clone");
}

变异含有该函数的代码时，会发生如下错误。

error[E0038]: the trait `Clone` cannot be made into an object
--> src/main.rs:31:14
|
31 | fn te(x: Box<dyn Clone>) {
|              ^^^^^^^^^ `Clone` cannot be made into an object
|
= note: the trait cannot be made into an object because it requires `Self: Sized`
= note: for a trait to be "object safe" it needs to allow building a vtable to allow the call to be resolvable dynamically; for more information visit <https://doc.rust-lang.org/reference/items/traits.html#object-safety>

For more information about this error, try `rustc --explain E0038`.
error: could not compile `trait_object` due to previous error

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2023-03-14，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

clone