緣起

一切都要從年末換工作碰上特殊時期, 在家閑著無聊又讀了幾首詩, 突然想寫一個可以瀏覽和背誦詩詞的 TUI 程序說起. 我選擇了 Cursive 這個 Rust TUI 庫. 在實現時有這么一個函數, 它會根據參數的不同返回某個組件(如 Button, TextView 等). 在 Cursive 中, 每個組件都實現了 View 這個 trait, 最初這個函數只會返回某個確定的組件, 所以函數簽名可以這樣寫

fn some_fn(param: SomeType) -> Button

隨著開發進度增加, 這個函數需要返回 Button, TextView 等組件中的一個, 我下意識地寫出了類似于下面的代碼

fn some_fn(param1: i32, param2: i32) -> impl View {if param1 > param2 {// do something...return Button {};} else {// do something...return TextView {};} }

可惜 Rust 編譯器一如既往地打臉, Rust 編譯器報錯如下

--> srcmain.rs:19:16| 13 | fn some_fn(param1: i32, param2: i32) -> impl View {| --------- expected because this return type... ... 16 | return Button {};| --------- ...is found to be `Button` here ... 19 | return TextView {};| ^^^^^^^^^^^ expected struct `Button`, found struct `TextView`error: aborting due to previous errorFor more information about this error, try `rustc --explain E0308`.

從編譯器報錯信息看函數返回值雖然是 impl View 但其從 if 分支推斷返回值類型為 Button 就不再接受 else 分支返回的 TextView. 這與 Rust 要求 if else 兩個分支的返回值類型相同的特性一致. 那能不能讓函數返回多種類型呢? Rust 之所以要求函數不能返回多種類型是因為 Rust 在需要在 編譯期確定返回值占用的內存大小, 顯然不同類型的返回值其內存大小不一定相同. 既然如此, 把返回值裝箱, 返回一個胖指針, 這樣我們的返回值大小可以確定了, 這樣也許就可以了吧. 嘗試把函數修改成如下形式:

fn some_fn(param1: i32, param2: i32) -> Box<View> {if param1 > param2 {// do something...return Box::new(Button {});} else {// do something...return Box::new(TextView {});} }

現在代碼通過編譯了, 但如果使用 Rust 2018, 你會發現編譯器會拋出警告:

warning: trait objects without an explicit `dyn` are deprecated--> srcmain.rs:13:45| 13 | fn some_fn(param1: i32, param2: i32) -> Box<View> {| ^^^^ help: use `dyn`: `dyn View`|= note: `#[warn(bare_trait_objects)]` on by default

編譯器告訴我們使用 trait object 時不使用 dyn 的形式已經被廢棄了, 并且還貼心的提示我們把 Box<View> 改成 Box<dyn View>, 按編譯器的提示修改代碼, 此時代碼 no warning, no error, 完美.

但 impl Trait 和 Box<dyn Trait> 除了允許多種返回值類型的之外還有什么區別嗎? trait object 又是什么? 為什么 Box<Trait> 形式的返回值會被廢棄而引入了新的 dyn 關鍵字呢?

埋坑

impl Trait 和 dyn Trait 在 Rust 分別被稱為靜態分發和動態分發. 在第一版的 Rust Book 這樣解釋分發(dispatch)

When code involves polymorphism, there needs to be a mechanism to determine which specific version is actually run. This is called ‘dispatch’. There are two major forms of dispatch: static dispatch and dynamic dispatch. While Rust favors static dispatch, it also supports dynamic dispatch through a mechanism called ‘trait objects’.

即當代碼涉及多態時, 需要某種機制決定實際調用類型. Rust 的 Trait 可以看作某些具有通過特性類型的集合, 以上面代碼為例, 在寫代碼時我們不關心具體類型, 但在編譯或運行時必須確定 Button 還是 TextView. 靜態分發, 正如靜態類型語言的"靜態"一詞說明的, 在編譯期就確定了具體調用類型. Rust 編譯器會通過單態化(Monomorphization) 將泛型函數展開.

假設 Foo 和 Bar 都實現了 Noop 特性, Rust 會把函數

fn x(...) -> impl Noop

展開為

fn x_for_foo(...) -> Foo fn x_for_bar(...) -> Bar

(僅作原理說明, 不保證編譯會這樣展開函數名).

通過單態化, 編譯器消除了泛型, 而且沒有性能損耗, 這也是 Rust 提倡的形式, 缺點是過多展開可能會導致編譯生成的二級制文件體積過大, 這時候可能需要重構代碼.

靜態分發雖然有很高的性能, 但在文章開頭其另一個缺點也有所體現, 那就是無法讓函數返回多種類型, 因此 Rust 也支持通過 trait object 實現動態分發. 既然 Trait 是具有某種特性的類型的集合, 那我們可以把 Trait 也看作某種類型, 但它是"抽象的", 就像 OOP 中的抽象類或基類, 不能直接實例化.

Rust 的 trait object 使用了與 c++ 類似的 vtable 實現, trait object 含有1個指向實際類型的 data 指針, 和一個指向實際類型實現 trait 函數的 vtable, 以此實現動態分發. 更加詳細的介紹可以在

Exploring Dynamic Dispatch in Rust?alschwalm.com

看到. 既然 trait object 在實現時可以確定大小, 那為什么不用 fn x() -> Trait 的形式呢? 雖然 trait object 在實現上可以確定大小, 但在邏輯上, 因為 Trait 代表類型的集合, 其大小無法確定. 允許 fn x() -> Trait 會導致語義上的不和諧. 那 fn x() -> &Trait 呢? 當然可以! 但鑒于這種場景下都是在函數中創建然后返回該值的引用, 顯然需要加上生命周期:

fn some_fn(param1: i32, param2: i32) -> &'static View {if param1 > param2 {// do something...return &Button {};} else {// do something...return &TextView {};} }

我不喜歡添加額外的生命周期說明, 想必各位也一樣. 所以我們可以用擁有所有權的 Box 智能指針避免煩人的生命周期說明. 至此 Box<Trait> 終于出現了. 那么問題來了, 為什么編譯器會提示 Box<Trait> 會被廢棄, 特地引入了 dyn 關鍵字呢? 答案可以在 RFC-2113 中找到.

RFC-2113 明確說明了引入 dyn 的原因, 即語義模糊, 令人困惑, 原因在于沒有 dyn 讓 Trait 和 trait objects 看起來完全一樣, RFC 列舉了３個例子說明.

第一個例子, 加入你看到下面的代碼, 你知道作者要干什么嗎?

impl SomeTrait for AnotherTrait impl<T> SomeTrait for T where T: Another

你看懂了嗎? 說實話我也看不懂 : ) PASS

第二個例子, impl MyTrait {} 是正確的語法, 不過這樣會讓人以為這會在 Trait 上添加默認實現, 擴展方法或其他 Trait 自身的一些操作. 實際上這是在 trait object 上添加方法.

如在下面代碼說明的, Trait 默認實現的正確定義方法是在定義 Trait 時指定, 而不應該在 impl Trait {} 語句塊中.

trait Foo {fn default_impl(&self) {println!("correct impl!");} }impl Foo {fn trait_object() {println!("trait object impl");} }struct Bar {}impl Foo for Bar {}fn main() {let b = Bar{};b.default_impl();// b.trait_object();Foo::trait_object(); }

Bar 在實現了 Foo 后可以通過 b.default_impl 調用, 無需額外實現, 但 b.trait_object 則不行, 因為 trait_object 方法是 Foo 的 trait object 上的方法.

如果是 Rust 2018 編譯器應該還會顯示一條警告, 告訴我們應該使用 impl dyn Foo {}

第三個例子則以函數類型和函數 trait 作對比, 兩者差別只在于首字母是否大寫(Fn代表函數trait object, fn則是函數類型), 難免會把兩者弄混.

更加詳細的說明可以移步

RFC-2113?github.com

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總結

impl trait 和 dyn trait 區別在于靜態分發于動態分發, 靜態分發性能 好, 但大量使用有可能造成二進制文件膨脹; 動態分發以 trait object 的概念通過虛表實現, 會帶來一些運行時開銷. 又因 trait object 與 Trait 在不引入 dyn 的情況下經常導致語義混淆, 所以 Rust 特地引入 dyn 關鍵字, 在 Rust 2018 中已經穩定.

引用

以下是本文參考的資料

impl Trait for returning complex types with ease?doc.rust-lang.orgimpl trait 社區跟蹤?github.comrust-lang/rfcs?github.comTraits and Trait Objects in Rust?joshleeb.comDynamic vs. Static Dispatch?lukasatkinson.deExploring Dynamic Dispatch in Rust?alschwalm.com

PS: 題圖為盧浦大橋, 全上海我最喜歡的大橋, 沒有之一~

總結

以上是生活随笔為你收集整理的rust为什么显示不了国服_捋捋 Rust 中的 impl Trait 和 dyn Trait的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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