Rust 总结:特征对象 Trait Objects

特征对象

特征对象指向实现了特征的类型的实例

可以通过 & 引用或者 Box 智能指针的方式来创建特征对象。

trait Draw {
    fn draw(&self) -> String;
}

impl Draw for u8 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("u8: {}", *self)
    }
}

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
    x.draw();
}

fn draw2(x: &dyn Draw) {
    x.draw();
}

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

    // 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
    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));
    draw2(&x);
    draw2(&y);
}
  • draw1 函数的参数是 Box 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
// 这种写法不会工作!因为最终类型匹配到的是具体类型,而非特征对象
/*
pub struct Screen<T: Draw> {
    pub components: Vec<T>,
}

impl<T> Screen<T>
    where T: Draw {
    pub fn run(&self) {
        for component in self.components.iter() {
            component.draw();
        }
    }
}
*/

pub struct Screen {
    pub components: Vec<Box<dyn Draw>>,
}

impl Screen {
    pub fn run(&self) {
        for component in self.components.iter() {
            component.draw();
        }
    }
}

pub struct Button {
    pub width: u32,
    pub height: u32,
    pub label: String,
}

impl Draw for Button {
    fn draw(&self) {
        // 绘制按钮的代码
    }
}

struct SelectBox {
    width: u32,
    height: u32,
    options: Vec<String>,
}

impl Draw for SelectBox {
    fn draw(&self) {
        // 绘制SelectBox的代码
    }
}


fn main() {
    let screen = Screen {
        components: vec![
            Box::new(SelectBox {
                width: 75,
                height: 10,
                options: vec![
                    String::from("Yes"),
                    String::from("Maybe"),
                    String::from("No")
                ],
            }),
            Box::new(Button {
                width: 50,
                height: 10,
                label: String::from("OK"),
            }),
        ],
    };

    screen.run();
}

简而言之,当类型 Button 实现了特征 Draw 时,类型 Button 的实例对象 btn 可以当作特征 Draw 的特征对象类型来使用,btn 中保存了作为特征对象的数据指针(指向类型 Button 的实例数据)和行为指针(指向 vtable)。

一定要注意,此时的 btn 是 Draw 的特征对象的实例,而不再是具体类型 Button 的实例,而且 btn 的 vtable 只包含了实现自特征 Draw 的那些方法(比如 draw),因此 btn 只能调用实现于特征 Draw 的 draw 方法,而不能调用类型 Button 本身实现的方法和类型 Button 实现于其他特征的方法。也就是说,btn 是哪个特征对象的实例,它的 vtable 中就包含了该特征的方法。

使用 dyn 返回特征

trait Bird {
    fn quack(&self) -> String;
}

struct Duck;
impl Duck {
    fn swim(&self) {
        println!("Look, the duck is swimming")
    }
}
struct Swan;
impl Swan {
    fn fly(&self) {
        println!("Look, the duck.. oh sorry, the swan is flying")
    }
}

impl Bird for Duck {
    fn quack(&self) -> String{
        "duck duck".to_string()
    }
}

impl Bird for Swan {
    fn quack(&self) -> String{
        "swan swan".to_string()
    }
}

fn main() {
    // 填空
    let duck = Duck {};
    duck.swim();

    let bird = hatch_a_bird(2);
    // 变成鸟儿后,它忘记了如何游,因此以下代码会报错
    // bird.swim();
    // 但它依然可以叫唤
    assert_eq!(bird.quack(), "duck duck");

    let bird = hatch_a_bird(1);
    // 这只鸟儿忘了如何飞翔,因此以下代码会报错
    // bird.fly();
    // 但它也可以叫唤
    assert_eq!(bird.quack(), "swan swan");

    println!("Success!")
}

// 实现以下函数
// fn hatch_a_bird(s: usize) -> &'static dyn Bird {
//     if s == 1 {
//         &Swan {}
//     } else {
//         &Duck {}
//     }
// }

fn hatch_a_bird(s: usize) -> Box<dyn Bird> {
    if s == 1 {
        Box::new(Swan {})
    } else {
        Box::new(Duck {})
    }
}

在数组中使用特征对象

trait Bird {
    fn quack(&self);
}

struct Duck;
impl Duck {
    fn fly(&self) {
        println!("Look, the duck is flying")
    }
}
struct Swan;
impl Swan {
    fn fly(&self) {
        println!("Look, the duck.. oh sorry, the swan is flying")
    }
}

impl Bird for Duck {
    fn quack(&self) {
        println!("{}", "duck duck");
    }
}

impl Bird for Swan {
    fn quack(&self) {
        println!("{}", "swan swan");
    }
}

fn main() {
    // 填空
    // let birds : [&dyn Bird; 2]= [
    //     &Duck{},
    //     &Swan{}
    // ];

    let birds : [Box<dyn Bird>; 2]= [
        Box::new(Duck{}),
        Box::new(Swan{})
    ];

    for bird in birds {
        bird.quack();
        // 当 duck 和 swan 变成 bird 后,它们都忘了如何翱翔于天际,只记得该怎么叫唤了。。
        // 因此,以下代码会报错
        // bird.fly();
    }
}

&dyn and Box

// 填空
trait Draw {
    fn draw(&self) -> String;
}

impl Draw for u8 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("u8: {}", *self)
    }
}

impl Draw for f64 {
    fn draw(&self) -> String {
        format!("f64: {}", *self)
    }
}

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

    // draw x
    draw_with_box(Box::new(x));

    // draw y
    draw_with_ref(&y);

    println!("Success!")
}

fn draw_with_box(x: Box<dyn Draw>) {
    x.draw();
}

fn draw_with_ref(x: &dyn Draw) {
    x.draw();
}

静态分发和动态分发Static and Dynamic dispatch

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) }
}

// 通过泛型实现以下函数
fn static_dispatch(x: impl Foo) {

}

// 通过特征对象实现以下函数
fn dynamic_dispatch(y: &dyn Foo) {

}

fn main() {
    let x = 5u8;
    let y = "Hello".to_string();

    static_dispatch(x);
    dynamic_dispatch(&y);

    println!("Success!")
}

对象安全

一个特征能变成特征对象,首先该特征必须是对象安全的,即该特征的所有方法都必须拥有以下特点:

  • 返回类型不能是 Self.
  • 不能使用泛型参数

第一个是特征约束方式:

trait MyTrait {
    fn f(&self) -> Self;
}

impl MyTrait for u32 {
    fn f(&self) -> Self { 42 }
}

impl MyTrait for String {
    fn f(&self) -> Self { self.clone() }
}

fn my_function(x: impl MyTrait) -> impl MyTrait  {
    x.f()
}

fn main() {
    let a = my_function(13_u32);
    my_function(String::from("abc"));
}

第二个是特征对象方式:

trait MyTrait {
    fn f(&self) -> Box<dyn MyTrait>;
}

impl MyTrait for u32 {
    fn f(&self) -> Box<dyn MyTrait> { Box::new(42) }
}

impl MyTrait for String {
    fn f(&self) -> Box<dyn MyTrait> { Box::new(self.clone()) }
}

fn my_function(x: Box<dyn MyTrait>) -> Box<dyn MyTrait> {
    x.f()
}

fn main() {
    my_function(Box::new(13_u32));
    my_function(Box::new(String::from("abc")));
}

关联类型

关联类型是在特征定义的语句块中,声明一个自定义类型,这样就可以在特征的方法签名中使用该类型:

pub trait Iterator {
    type Item;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}
impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        // --snip--
    }
}

fn main() {
    let c = Counter{..}
    c.next()
}

结论:由于使用了泛型,导致函数头部也必须增加泛型的声明,而使用关联类型,将得到可读性好得多的代码

struct Container(i32, i32);

// 使用关联类型实现重新实现以下特征

trait Contains {
    type A;
    type B;
    fn contains(&self, _: &Self::A, _: &Self::B) -> bool;
    fn first(&self) -> i32;
    fn last(&self) -> i32;
}

impl Contains for Container {
    type A = i32;
    type B = i32;
    fn contains(&self, number_1: &Self::A, number_2: &Self::B) -> bool {
        (&self.0 == number_1) && (&self.1 == number_2)
    }
    // Grab the first number.
    fn first(&self) -> i32 { self.0 }

    // Grab the last number.
    fn last(&self) -> i32 { self.1 }
}

fn difference<C: Contains>(container: &C) -> i32 {
    container.last() - container.first()
}

fn main() {
    let number_1 = 3;
    let number_2 = 10;

    let container = Container(number_1, number_2);

    println!("Does container contain {} and {}: {}",
        &number_1, &number_2,
        container.contains(&number_1, &number_2));
    println!("First number: {}", container.first());
    println!("Last number: {}", container.last());

    println!("The difference is: {}", difference(&container));
}

默认泛型类型参数

use std::ops::Sub;

#[derive(Debug, PartialEq)]
struct Point<T> {
    x: T,
    y: T,
}

// 1
impl<T: Sub<Output = T>> Sub<Point<T>> for Point<T> {
    type Output = Self;

    fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
        Point {
            x: self.x - other.x,
            y: self.y - other.y,
        }
    }
}
// 2
impl<T: Sub<Output = T>> Sub<Self> for Point<T> {
    type Output = Self;

    fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
        Point {
            x: self.x - other.x,
            y: self.y - other.y,
        }
    }
}
// 3
impl<T: Sub<Output = T>> Sub for Point<T> {
    type Output = Self;

    fn sub(self, other: Self) -> Self::Output {
        Point {
            x: self.x - other.x,
            y: self.y - other.y,
        }
    }
}

fn main() {
    assert_eq!(Point { x: 2, y: 3 } - Point { x: 1, y: 0 },
        Point { x: 1, y: 3 });

    println!("Success!")
}

完全限定语法

调用同名的方法

trait Pilot {
    fn fly(&self);
}

trait Wizard {
    fn fly(&self);
}

struct Human;

impl Pilot for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("This is your captain speaking.");
    }
}

impl Wizard for Human {
    fn fly(&self) {
        println!("Up!");
    }
}

impl Human {
    fn fly(&self) {
        println!("*waving arms furiously*");
    }
}

fn main() {
    let person = Human;
    Pilot::fly(&person); // 调用Pilot特征上的方法
    Wizard::fly(&person); // 调用Wizard特征上的方法
    person.fly(); // 调用Human类型自身的方法
}
trait UsernameWidget {
    fn get(&self) -> String;
}

trait AgeWidget {
    fn get(&self) -> u8;
}

struct Form {
    username: String,
    age: u8,
}

impl UsernameWidget for Form {
    fn get(&self) -> String {
        self.username.clone()
    }
}

impl AgeWidget for Form {
    fn get(&self) -> u8 {
        self.age
    }
}

fn main() {
    let form = Form{
        username: "rustacean".to_owned(),
        age: 28,
    };

    // 如果你反注释下面一行代码,将看到一个错误: Fully Qualified Syntax
    // 毕竟,这里有好几个同名的 `get` 方法
    //
    // println!("{}", form.get());

    let username = UsernameWidget::get(&form);
    assert_eq!("rustacean".to_owned(), username);
    let age = AgeWidget::get(&form); // 你还可以使用以下语法 `<Form as AgeWidget>::get`
    assert_eq!(28, age);

    println!("Success!")
}

关联函数同名

trait Animal {
    fn baby_name() -> String;
}

struct Dog;

impl Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("Spot")
    }
}

impl Animal for Dog {
    fn baby_name() -> String {
        String::from("puppy")
    }
}

// 错
// fn main() {
//     println!("A baby dog is called a {}", Dog::baby_name());
// }

fn main() {
    println!("A baby dog is called a {}", <Dog as Animal>::baby_name());
}

完全限定语法定义为:

<Type as Trait>::function(receiver_if_method, next_arg, ...);

特征定义中的特征约束

Supertraits

有些时候我们希望在特征上实现类似继承的特性,例如让一个特征 A 使用另一个特征 B 的功能。这种情况下,一个类型要实现特征 A 首先要实现特征 B, 特征 B 就被称为 supertrait

use std::fmt::Display;

trait OutlinePrint: Display {
    fn outline_print(&self) {
        let output = self.to_string();
        let len = output.len();
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("* {} *", output);
        println!("*{}*", " ".repeat(len + 2));
        println!("{}", "*".repeat(len + 4));
    }
}

use std::fmt;

struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

impl fmt::Display for Point {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "({}, {})", self.x, self.y)
    }
}

impl OutlinePrint for Point {}
use std::fmt::Debug;

trait Person: Debug {
    fn name(&self) -> String;
}

// Person 是 Student 的 supertrait .
// 实现 Student 需要同时实现 Person.
trait Student: Person {
    fn university(&self) -> String;
}

trait Programmer {
    fn fav_language(&self) -> String;
}

// CompSciStudent (computer science student) 是 Programmer
// 和 Student 的 subtrait. 实现 CompSciStudent 需要先实现这两个 supertraits.
trait CompSciStudent: Programmer + Student {
    fn git_username(&self) -> String;
}

fn comp_sci_student_greeting(student: &dyn CompSciStudent) -> String {
    format!(
        "My name is {} and I attend {}. My favorite language is {}. My Git username is {}",
        student.name(),
        student.university(),
        student.fav_language(),
        student.git_username()
    )
}

#[derive(Debug)]
struct CSStudent {
    name: String,
    university: String,
    fav_language: String,
    git_username: String
}

impl Person for CSStudent {
    fn name(&self) -> String {
        self.name.clone()
    }
}

impl Student for CSStudent {
    fn university(&self) -> String {
        self.university.clone()
    }
}

impl Programmer for CSStudent {
    fn fav_language(&self) -> String {
        self.fav_language.clone()
    }
}

// 为 CSStudent 实现所需的特征
impl CompSciStudent for CSStudent {
    fn git_username(&self) -> String {
        self.git_username.clone()
    }
}

fn main() {
    let student = CSStudent {
        name: "Sunfei".to_string(),
        university: "XXX".to_string(),
        fav_language: "Rust".to_string(),
        git_username: "sunface".to_string()
    };

    // 填空
    println!("{}", comp_sci_student_greeting(&student));
    println!("{:?}", student);
}

在外部类型上实现外部特征(newtype)

这里提供一个办法来绕过孤儿规则(就是特征或者类型必需至少有一个是本地的),那就是使用newtype 模式,简而言之:就是为一个元组结构体创建新类型。该元组结构体封装有一个字段,该字段就是希望实现特征的具体类型。

👇 想给 Vec<String> 加上 Display 特征,但这是个孤儿规则,因为两个定义都不在本地,可以使用newtype技巧。

use std::fmt;

struct Wrapper(Vec<String>);

impl fmt::Display for Wrapper {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "[{}]", self.0.join(", "))
    }
}

fn main() {
    let w = Wrapper(vec![String::from("hello"), String::from("world")]);
    println!("w = {}", w);
}
use std::fmt;

// 定义一个 newtype `Pretty`
struct Pretty(String);


impl fmt::Display for Pretty {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "\"{}\"", self.0.clone() + ", world")
    }
}

fn main() {
    let w = Pretty("hello".to_string());
    println!("w = {}", w);
}

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