Rust中的泛型,trait以及trait objects小记
written on Tue 08 October 2019 by importcjj
泛型的使用
泛型的英文为Generic Types，顾名思义就是通用类型。泛型可以帮助我们减少样板代码的编写。设想一下，如果需要为在一个元素为i32的数组中找出最大的那个数，大部分人都会写一个将这部分代码写成一个函数。形如
fn largest(list: &[i32]) -> i32 {
let mut largest = list[0];
for &item in list.iter() {
if item > largest {
largest = item;
}
}
largest
}
嗯~~ 正常运行。不过之后产品经理增加需求，需要同时支持i64数组，然后又想支持f64数组。在没有泛型的语言中，开发人员只能选择将这个函数复制粘贴n次，对参数类型稍加修改，最后改成不同的名字，如largest_i32 、largest_i64等。而且，这种情况下，当你需要改变代码时，也需要重复修改多次，这些都或多或少地增加了代码的维护成本。但是泛型的出现，可以减少开发者很多重复的劳动。Rust中的泛型：
fn largest<T>(list: &[T]) -> T {
let mut largest = list[0];
for &item in list.iter() {
if item > largest {
largest = item;
}
}
largest
}
乍一看，与第一个例子的代码基本相同，但是我们在函数签名中声明了一个泛型T，用来表示任何类型。这样一来，就无需为每一个具体类型定义一个专用函数了。不过不用高兴太早，上面的代码，Rust的编译器并不让通过。这是因为在函数中涉及了对泛型T的大小比较，但是并不是所有的类型都是支持大小比较的，所以还需要再做一点细微的工作来支持它。有兴趣的同学可以去试着让它通过编译。
在本小节的末尾，来说一下Rust中的泛型的工作原理。以上文提到的函数largest为例，编译器会在编译时，找出所有使用了它的具体类型，并为它们分别生成一个largest_xxx函数，这个过程叫做monomorphization，我翻译成特例化。看到这里，有木有很惊讶？Rust做了我们本来要做的脏活累活，它针对特定类型生成特定函数，这样的泛型实现方式是没有动态开销的，只有编译开销: )
Trait的使用
Rust中的Trait有点像其他语言中的Interface，但是还是有机制上的区别。Trait定义了一组共享方法，是一种抽象方式。比如：
trait Human {
fn talk(&self) -> String;
}
fn listen_to(person: impl Human) {
let sent = person.talk();
println!("man say: {}", sent);
}
我们定义了一个Human的trait，其中还有一个talk方法。接着，我们还定义了一个函数，参数类型为实现了trait的类型。trait不能直接作为函数的参数，但是可以作为trait bound使用，简单理解就是对具体类型的限定。比如，在上面的例子中，我们就限定了man的类型必须实现trait Human。
形如impl trait的写法是一种简便写法，通常写法是和泛型结合。
fn listen_to<T: Human>(person: T) {...}
//或者
fn listen_to<T>(person:T) where T: Human {...}
一个泛型可以添加多个trait bound，使用+串联。比如T: Human + Display
规定了trait限定之后，我们需要给函数传入具体的类型。该类型必须实现相应的trait。
struct Man;
impl Human for Man {
fn talk(&self) -> String {
"Man: I am a man".into()
}
}
fn main () {
let man = Man;
listen_to(man);
}
很简单，理解上也没有问题。不过，接下来就会说到一个问题。我们来看个例子
struct Woman;
impl Human for Woman {
fn talk(&self) -> String {
"Woman: I am a woman".into()
}
}
fn listen_to<T: Human>(man: T, woman: T) {
println!("{}", man.talk());
println!("{}", woman.talk());
}
fn main() {
let man = Man;
let woman = Woman;
listen_to(man, woman);
}
什么！编译器报错了.
|
29 | listen_to(man, woman);
| ^^^^^ expected struct `Man`, found struct `Woman`
|
= note: expected type `Man`
found type `Woman`
如果经常写Go的同学可能会奇怪了，listen_to函数的man和woman两个参数都是Human这个interface类型，我们实际传入的也是两个实现了Human的类型，为什么会报错呢？哈哈，这又是Rust的泛型机制在作怪了，我们对man和woman都使用了同一泛型T，这需要我们保证实际传入的类型必须为同一类型。
那么如何修改呢？有两个方法
// 方法一，使用两个泛型
fn listen_to<M: Human, W: Human>(man: M, woman: W) {...}
// 方法二，使用关键词impl
fn listen_to(man: impl Human, W: impl Human) {...}
目前看来，好像一切都相安无事了。但是由于Rust泛型机制的限制，貌似失去了动态能力。想象一下，如果我们需要一个包含了多个Human的Vec，里面既有Man，又有Woman，我们该怎么办？有的同学说简单，直接用不就好了吗？
let people: Vec<Human> = vec![];
不好意思，编译器不通过！如果要做到我们想要的效果，需要使用trait objects，编译器告诉你要使用dyn关键词。
let people: Vec<dyn Human> = vec![];
再次编译，吼吼，还是不通过！因为编译阶段无法知道trait objects的实际大小了，所以呢？需要我们使用Box将它放到堆上去。
let people: Vec<Box<dyn Human>> = vec![];
终于过了，不容易吼。
fn listen_to_people(people: Vec<Box<dyn Human>>) {
for one in people {
println!("{}", one.talk());
}
}
fn main() {
let mut people: Vec<Box<dyn Human>> = vec![];
people.push(Box::new(Man));
people.push(Box::new(Woman));
people.push(Box::new(Man));
listen_to_people(people);
}
trait objects涉及动态匹配，会有运行时开销。
补充一下，只有类型安全且不含泛型参数的trait才可以作为trait objects.
- 返回类型不能为
Self - 不能还有泛型参数
比如，Clone这个trait就不能作为trait objects，因为方法的返回类型为Self
pub trait Clone {
fn clone(&self) -> Self;
}
这一篇，篇幅较短。就是简要记录一下泛型、Trait以及Trait objects的使用。如有错误，敬请指教。