意譯解構(gòu)Object Safety for trait

借助【虛表vtable】對被調(diào)用成員函數(shù)【運(yùn)行時(shí)·內(nèi)存尋址】的作法允許系統(tǒng)編程語言Rust模仿出OOP高級(jí)計(jì)算機(jī)語言才具備的【專用·多態(tài)Ad-hoc Polymorphism】特性。

計(jì)算機(jī)高級(jí)語言中的“多態(tài)”術(shù)語是一個(gè)泛指。它通?？杀患?xì)化為

• 基于繼承關(guān)系的“子類·多態(tài)”?Subtype Polymorphism?— 形狀相似而類名不同即是不同。重“名分”輕“事實(shí)”。代表語言JAVA

• 基于接口抽象的“專用·多態(tài)”?Ad-hoc Polymorphism?—?突出不同類型間的共性，淡化類型差異。

• 基于“鴨子類型”的“行·多態(tài)”Row Polymorphism?— 類名不同卻形狀相似即是相兼容。重“事實(shí)”輕“名分”。代表語言JS

因?yàn)?code>Rust不支持類繼承，所以它的多態(tài)方式僅收斂于

• 由【trait Object?+?trait method動(dòng)態(tài)分派】的“專用·多態(tài)”

• 由【Lens設(shè)計(jì)模式 + 過程宏】的“行·多態(tài)”

僅拋磚引玉，就不再展開了。

就Rust生產(chǎn)實(shí)踐而言，這也是“以時(shí)間換空間”縮小編譯輸出二進(jìn)制文件體積的絕佳手段。其對WEB匯編技術(shù)方向更是意義深遠(yuǎn)，因?yàn)橹灰阅軌蛴茫?code>WASM體積越小越好。對webapp來講，用過剩的性能換取發(fā)布包更小的體積還是很劃算的。但，rustc要求凡是參與【專用多態(tài)】抽象的trait都必須Object Safety?！皩ο蟀踩钡闹形闹弊g非常令人費(fèi)解。

但結(jié)合【專用多態(tài)】技術(shù)語境，Object Safety可“啰嗦地”意譯表達(dá)為：“trait method調(diào)用端不需要對trait實(shí)現(xiàn)類及其實(shí)例對象有任何了解與假設(shè)，而僅憑trait描述自身，就能順利地尋址和執(zhí)行trait method，以及獲得trait method執(zhí)行反饋”。因此，Safety不是直譯的“安全”，而是意譯的“不知”。

@Rustacean 也可將Object Safety精煉地領(lǐng)會(huì)為“對象不知”或倒裝一下“不知（類型與）對象（就能執(zhí)行它的成員方法）”。

trait對象安全的核心原則

【專用多態(tài)】抽象要求trait將其具體實(shí)現(xiàn)類以【動(dòng)態(tài)大小類型DST】的?Sized形式呈現(xiàn)給trait method調(diào)用端。即，胖指針（= 數(shù)據(jù)指針 + 虛表指針）

• 在編譯時(shí)，不鎖定數(shù)據(jù)類型。但因指針大小是固定的，所以編譯操作依舊能夠成功完成。

• 在運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)度量變量大小，不論它是【堆】變量Box<dyn Trait>，還是【?！孔兞?code>&dyn Trait。

以代碼語言概括之，trait和（動(dòng)態(tài)分派）trait method都必須滿足DST的where Self: ?Sized限定條件。事實(shí)上，where Self: ?Sized也是rustc對trait自身與trait關(guān)聯(lián)函數(shù)的默認(rèn)限定。

名詞解釋：

• DST縮寫詞的全稱Dynamic Sized Type。其含義是“運(yùn)行時(shí)確定大小的數(shù)據(jù)類型”。所以，它的trait限定條件是?Sized。

• FST縮寫詞的全稱Fixed Sized Type。其含義是“編譯時(shí)確定大小的數(shù)據(jù)類型”。所以，它的trait限定條件是Sized。

對照【泛型類型參數(shù)】記憶

對照點(diǎn)一：

• 泛型類型參數(shù)默認(rèn)是FST，但可where T: ?Sized選擇退出默認(rèn)約定

• trait與trait method缺省都是DST，但同時(shí)也支持where Self: Sized選擇退出初始限定

對照點(diǎn)二：例程1

• 泛型類型參數(shù)的Sized限定條件是可以被書面重申的，雖然這完全沒有必要。

• trait與trait method定義卻不能書面地限定where Self: ?Sized。這會(huì)導(dǎo)致編譯失敗，因?yàn)?code>?Sized僅能書面地限定泛型類型參數(shù)（的形參）。

判斷trait是否對象安全的極簡checklist

舊版The Rust Programming Language教程曾經(jīng)列舉過操作性極強(qiáng)的篩選標(biāo)準(zhǔn)：

1. trait method返回值類型不是Self

2. trait method不是【泛型函數(shù)】

雖至今其仍在互聯(lián)網(wǎng)上廣為流傳，但它對知識(shí)內(nèi)核的過度簡化極易誤導(dǎo) @Rustacean 認(rèn)為Object Safe trait的全部trait method都必須是【動(dòng)態(tài)分派】的。其實(shí)不然，對象安全trait也被允許包含編譯時(shí)【靜態(tài)分派】的成員方法。事實(shí)上，只要trait自身滿足Object Safety基本規(guī)則，它的成員方法

• 既可以被收錄入vtable和參與【動(dòng)態(tài)分派】 — 對trait method隱式類型參數(shù)Self不做任何限定

• 也能編譯時(shí)被單態(tài)化和參與【靜態(tài)分派】 — 以where Self: Sized限定trait method隱式類型參數(shù)Self

同一個(gè)trait定義動(dòng)/靜兩用，沒毛??！例程2?走出這個(gè)知識(shí)點(diǎn)誤區(qū)有助于避免在業(yè)務(wù)功能開發(fā)過程中頻繁地“鉆牛角尖”和減輕心智痛苦。

trait自身對象安全的基本原則

1. trait定義的隱式類型參數(shù)Self必須是?Sized的。這也意味著：

   1. 若有supertrait，那么supertrait也必須是?Sized的，因?yàn)?code>trait Trait: Supertrait {}就是trait Trait where Self: Supertrait {}的語法糖。例程3

      // 因?yàn)閌supertrait`不是`?Sized`，所以該`trait`不是`Object Safety`的。
      trait Trait: Sized {}
      // 等效寫法 - trait Trait where Self: Supertrait {}
      struct S;
      impl Trait for S {}
      let obj: Box<dyn Trait> = Box::new(S); // 不可動(dòng)態(tài)分派。

   2. 若supertrait是泛型trait，那么supertrait泛型類型參數(shù)的實(shí)參一定不能是Self，因?yàn)?code>Self編譯時(shí)類型不確定和不能作為單態(tài)化參數(shù)。例程4

      trait Super<A> {}
      // 該`trait`不是`Object Safety`的，因?yàn)樗碾[式類型參數(shù)`Self`是`Sized`的。
      // - 若抹掉`trait`的`where`從句，那么泛型的【靜態(tài)分派】會(huì)抱怨：“編譯時(shí)，Self的
      //   類型大小未知”。總之，左右為難。
      trait Trait: Super<Self> where Self: Sized {}
      struct S;
      impl<A> Super<A> for S {}
      impl Trait for S {}
      let obj: Box<dyn Trait> = Box::new(S); // 失敗，因?yàn)閌Self: Sized`

2. trait定義不能包含【關(guān)聯(lián)常量】。例程5

   // 該`trait`不是`Object Safety`的，
   trait NotObjectSafe {
       // 因?yàn)樗恕娟P(guān)聯(lián)常量】
       const CONST: i32 = 1;
   }
   struct S;
   impl NotObjectSafe for S {}
   let obj: Box<dyn NotObjectSafe> = Box::new(S);

3. trait定義中非成員方法【關(guān)聯(lián)函數(shù)】的隱式類型參數(shù)Self必須被顯式地限定為Sized?例程6。即，where Self: Sized。

   // `trait`不是`Object Safety`，因?yàn)?trait NotObjectSafe {
       // 它的非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)的隱式類型參數(shù)`Self`不是`Sized`，
       // 而是缺省的`?Sized`
       fn foo() {}
   }
   struct S;
   impl NotObjectSafe for S {}
   let obj: Box<dyn NotObjectSafe> = Box::new(S); // 編譯失敗

   因?yàn)殡[式類型參數(shù)Self的缺省限定條件就是?Sized，所以 @Rustacean 需要利用where從句書面地退出初始限定和重置Self為Sized的。

   // `trait`是`Object Safety`，因?yàn)?trait NotObjectSafe {
       // 它的非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)的隱式類型參數(shù)`Self`被顯式地限定為`Sized`，
       fn foo() where Self: Sized {}
   }
   struct S;
   impl NotObjectSafe for S {}
   let obj: Box<dyn NotObjectSafe> = Box::new(S); // 編譯成功

至此，若不考慮trait method，獲得一個(gè)【對象安全】的trait并不難。

對象安全trait的成員方法

【重申強(qiáng)調(diào)】即便trait定義的全部成員方法都不參與【動(dòng)態(tài)分派】（即，與它配對的虛表是空），但只要滿足上節(jié)羅列的三項(xiàng)條件，該trait依舊是“對象安全”的。只不過，它的trait Object沒啥實(shí)用意義。

靜態(tài)分派trait method

因?yàn)?code>trait【關(guān)聯(lián)函數(shù)】的缺省抽象形式是【動(dòng)態(tài)分派】，所以 @Rustacean 需要顯式地將trait method隱式類型參數(shù)Self限定為Sized。即，給trait method聲明添加where Self: Sized限定條件和退出DST內(nèi)存布局模式?例程7。然后，你就再也不用擔(dān)心這些trait method

• 是否是【泛型函數(shù)】

• 非self形參與返回值類型是否是Self

• self參數(shù)數(shù)據(jù)類型

雖然省心了，但胖指針（堆Box<dyn Trait>或棧&dyn Trait）也再點(diǎn)不出這些trait method了。請仔細(xì)閱讀下面例程代碼中的注釋和體會(huì)其中的差別。

// 雖然`trait`是`Object Safety`，
trait Trait {
    // (1) 但它的`trait method`都是靜態(tài)分派的，和不能從`Box<dyn Trait>`上被調(diào)用
    //      — `trait method`的隱式類型參數(shù)`Self`都被顯示地限定為`Sized`的，
    // (2) 于是，成員方法的
    fn returns(&self) -> Self    // a. 返回值類型被允許是`Self`
        where Self: Sized;
    fn param(&self, other: Self) // b. 非`self`形參也被允許是`Self`數(shù)據(jù)類型
        where Self: Sized {}
    fn typed<T>(&self, x: T)     // c. 接受【泛型函數(shù)】成員方法
        where Self: Sized {}
    // (3) 非成員方法的關(guān)聯(lián)函數(shù)必須是靜態(tài)分派的
    fn foo()
        where Self: Sized {}     // 手工限定其是靜態(tài)分派函數(shù)
}
struct S;
impl Trait for S {
    fn returns(&self) -> Self where Self: Sized { S {field: 10} }
}
// 雖然`trait`是`Object Safety`，但
let obj: Box<dyn Trait> = Box::new(S {field: 12});
// (1) 它沒有可運(yùn)行時(shí)尋址調(diào)用的成員方法。
// obj.returns(); // 失敗，因?yàn)? where Self: Sized
// (2) 它的`trait method`都必須從實(shí)現(xiàn)類的實(shí)例對象上被調(diào)用
<S as Trait>::foo();
let obj = S {field: 13};
obj.returns();
obj.typed(1);

對象安全的動(dòng)態(tài)分派trait method

雖然【動(dòng)態(tài)分派】是全部trait method的“天賦技能”，但 @Rustacean 也有義務(wù)從編程環(huán)節(jié)確保trait method不依賴于trait實(shí)現(xiàn)類的任何【元信息】。即，trait method函數(shù)體對trait實(shí)現(xiàn)類的類型信息不知。

“不知”即是“安全”。“對象安全”還真不如意譯為“對象不知”。這多有趣呀！

在書面代碼上，@Rustacean 僅需要做到在trait method定義中，

1. 不出現(xiàn)【泛型類型參數(shù)】?例程8。例外，【泛型生命周期參數(shù)】還是被允許的。例程9

2. 非self形參與返回值類型不能是Self。關(guān)鍵字Self代指trait實(shí)現(xiàn)類，但Object safe trait需要對實(shí)現(xiàn)類不知。

3. self形參的數(shù)據(jù)類型必須是如下六種之一?例程10

   1. 只讀引用&Self / &self

   2. 可修改引用&mut Self / &mut self

   3. 智能指針Box<Self>

   4. 引用計(jì)數(shù)Rc<Self>

   5. 原子引用計(jì)數(shù)Arc<Self>

   6. 不可swap內(nèi)存Pin<P>。其中，泛型類型參數(shù)P可以是前五種類型中的任意一種。

4. 千萬別限定trait method的隱式類型參數(shù)Self為Sized。

條條框框還是比較多的，可得常記頻用，才可應(yīng)用自如。

對象安全trait的非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)

這類associated functions概念對等于Typescript的靜態(tài)成員方法?！办o態(tài)”意味著這類關(guān)聯(lián)函數(shù)一定不會(huì)參與動(dòng)態(tài)分派，但出于未知原因rustc依舊偏好將其收錄虛表vtable和造成trait Object實(shí)例化失敗。所以，Object safe trait的重要原則之一，就是：

• 要么，沒有非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)

• 要么，顯式地書面限定每個(gè)非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)的隱式類型參數(shù)Self為Sized。例程11

否則，編譯失敗。

// `trait Trait`不是對象安全的，
trait Trait {
    // 因?yàn)樗姆浅蓡T方法關(guān)聯(lián)函數(shù)不可動(dòng)態(tài)分派，但還被收錄`vtable`
    fn foo() {} // 給加添加`where Self: Sized`限定條件，可解編譯失敗
}
struct S;
impl Trait for S {}
let obj: Box<dyn Trait> = Box::new(S);

結(jié)束語

【動(dòng)態(tài)分派】是trait和trait method初始開啟的天賦技能。除了性能極客，@Rustacean 一般想不起刻意地對定它們做靜態(tài)化處理。但，由于項(xiàng)目歷史包袱，在舊trait定義內(nèi)遺留的

• 泛型函數(shù)

• Self濫用

• 非成員方法關(guān)聯(lián)函數(shù)

導(dǎo)致其不再“對象安全”。咱們既不必埋怨舊代碼作者（哎！誰的認(rèn)知不是逐步深化的呀），也別慌，更別像我一樣傻乎乎地立即重構(gòu)代碼（很傷的）。而僅只需要將僅能靜態(tài)分派關(guān)聯(lián)函數(shù)的隱式類型參數(shù)Self限定為Sized即可。只要虛表不再收錄它們，rustc就不會(huì)抱怨了。于是，“同一個(gè)trait既兼容于新/舊代碼，還動(dòng)/靜兩用”豈不美哉?例程12！可是不值得炫技，因?yàn)榇罅窟@類trait代碼是餒餒的后期維護(hù)心智災(zāi)難 — 只能算是變通的“歪招”。

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