trait对象 (trait object)
trait对象在Rust中是指使用指针封装了的 trait,比如 &SomeTrait
和 Box<SomeTrait>
。
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);
let y = 8u8;
do_something(&y);
}
x: &Foo
其中x
是一个trait对象,这里用指针是因为x
可以是任意实现Foo
的类型实例,内存大小并不确定,但指针的大小是固定的。
trait对象的实现
&SomeTrait
类型和普通的指针类型&i32
不同。它不仅包括指向真实对象的指针,还包括一个指向虚函数表的指针。它的内部实现定义在在std::raw
模块中:
pub struct TraitObject {
pub data: *mut (),
pub vtable: *mut (),
}
其中data
是一个指向实际类型实例的指针, vtable
是一个指向实际类型对于该trait的实现的虚函数表:
Foo
的虚函数表类型:
struct FooVtable {
destructor: fn(*mut ()),
size: usize,
align: usize,
method: fn(*const ()) -> String,
}
之前的代码可以解读为:
// u8:
// 这个函数只会被指向u8的指针调用
fn call_method_on_u8(x: *const ()) -> String {
let byte: &u8 = unsafe { &*(x as *const u8) };
byte.method()
}
static Foo_for_u8_vtable: FooVtable = FooVtable {
destructor: /* compiler magic */,
size: 1,
align: 1,
method: call_method_on_u8 as fn(*const ()) -> String,
};
// String:
// 这个函数只会被指向String的指针调用
fn call_method_on_String(x: *const ()) -> String {
let string: &String = unsafe { &*(x as *const String) };
string.method()
}
static Foo_for_String_vtable: FooVtable = FooVtable {
destructor: /* compiler magic */,
size: 24,
align: 8,
method: call_method_on_String as fn(*const ()) -> String,
};
let a: String = "foo".to_string();
let x: u8 = 1;
// let b: &Foo = &a;
let b = TraitObject {
// data存储实际值的引用
data: &a,
// vtable存储实际类型实现Foo的方法
vtable: &Foo_for_String_vtable
};
// let y: &Foo = x;
let y = TraitObject {
data: &x,
vtable: &Foo_for_u8_vtable
};
// b.method();
(b.vtable.method)(b.data);
// y.method();
(y.vtable.method)(y.data);
对象安全
并不是所有的trait都能作为trait对象使用的,比如:
let v = vec![1, 2, 3];
let o = &v as &Clone;
会有一个错误:
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;
^~
让我来分析一下错误的原因:
pub trait Clone: Sized {
fn clone(&self) -> Self;
fn clone_from(&mut self, source: &Self) { ... }
}
虽然Clone
本身继承了Sized
这个trait,但是它的方法fn clone(&self) -> Self
和fn clone_from(&mut self, source: &Self) { ... }
含有Self
类型,而在使用trait对象方法的时候Rust是动态派发的,我们根本不知道这个trait对象的实际类型,它可以是任何一个实现了该trait的类型的值,所以Self
在这里的大小不是Self: Sized
的,这样的情况在Rust中被称为object-unsafe
或者not object-safe
,这样的trait是不能成为trait对象的。
总结:
如果一个trait
方法是object safe
的,它需要满足:
- 方法有
Self: Sized
约束, 或者 - 同时满足以下所有条件:
- 没有泛型参数
- 不是静态函数
- 除了
self
之外的其它参数和返回值不能使用Self
类型
如果一个trait
是object-safe
的,它需要满足:
- 所有的方法都是
object-safe
的,并且 - trait 不要求
Self: Sized
约束