特征 Trait - trait对象

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2023-12-01

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本身集成了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

参考stackoverflow
object safe rfc