第N次入门Rust - 14.面向对象

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前言

这一篇简单介绍Rust与面向对象，主要讨论静态分发和动态分发~

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14.1 浅谈Rust中拥有的OOP特征

说到OOP就会提到其三大特性：封装、继承和多态。

14.1.1 封装

通俗来说，封装就是只向外部暴露行为，将对象的数据和行为实现细节隐藏起来。

Rust的结构体和枚举类型可以包含数据，同时可以在impl块中提供结构体类型和枚举类型的实现方法。虽然带有方法的结构体和枚举并不被称为对象，但这种设计还是可以提供与对象相似的功能。

Rust中默认情况下模块、类型、函数和方法都是私有的，除非使用pub关键字修饰这个项，同时只是pub修饰的项变为对上层可见，被修饰项的内部成员依然是私有的，除非也是用pub关键字分别修饰它们。

根据上述可以认为Rust是拥有封装特性的。

14.1.2 继承

继承的目的主要有两个：重用代码和实现多态。

Rust中没有继承，因为大部分的情况下可以使用组合的形式达到重用代码的目的。

如果想实现类似Java等面向对象语言基于继承形式的代码复用，可以在定义trait的时候提供默认方法，即将共有行为定义为一个trait。

14.1.3 多态

多态表现为子类型可以用于父类型被使用的地方。

Rust中没有继承，但通过泛型和trait约束等技术对类型施加约束，实现被称为bounded parametric polymorpgism的多态(限定参数化多态)。

在传统的OOP语言如Java等中，多态往往是让子类继承父类或者多个类实现相同接口实现的。在Rust中，通过让多个类型都实现相同的trait，实现多态特性，此时只需要在需要用到相同trait的地方使用trait即可，不需要指定特定的类型，借助trait约束可以规定类型必须实现多个不同的trait。

14.2 静态分发和动态分发

作为一个长期使用Java的开发者，我觉得非常有必要理解清楚静态分发和动态分发的概念和使用，否则可能不知道如何使用Rust实现多态的时候，这也是Rust其中一个长期困扰我的点，当然我觉得对于C++开发者来说这可能不是什么太大的问题。

先说我对静态分发和动态分发的看法和结论：动态分发类似于Java中多态的行为，而静态分发实际上与Rust的泛型类似，特别是单态化。 如果有仔细看前面的文章 第N次入门Rust - 9.泛型、trait和生命周期 的话，相信会发现泛型和静态分发在语法设计上是统一的 (记得有大佬说过Rust在设计语法的时候会考虑概念或使用方式上的统一，目的是为了降低开发者的脑力负担)。

14.2.1 静态分发(static dispatch)

静态分发(static dispatch)指编译时确定值的具体类型，默认情况下编译器在编译泛型类型的代码时执行单态化，将泛型类型占位符替换为具体类型并编译。因为静态分发属于单态化，因此性能不会差。

静态分发的特点：编译会很慢(因为需要寻找具体的类型)，生成的可执行文件会很大(因为单态化会使一份代码变成多份)，但是程序运行会很快。

语法：

• trait声明时有可能入参或者出参需要使用具体的类型，此时可以使用Self代替类型名；
• 假如trait的名字为MyTrait，则当声明变量或者出入参等位置需要使用MyTrait时，需要使用impl MyTrait作为类型的占位符(我也不知道占位符这个说法准不准确)。

示例：

use std::{fmt::Display};

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

#[derive(Debug, Default)]
struct MyStruct {
    value: String,
}

impl MyTrait for MyStruct {
    
    fn get_self(&self) -> &Self {  // 返回值类型也可以使用 &MyTrait
        self
    }

    fn print(&self) {
        print!("{:#?}", self)
    }
}

impl Display for MyStruct {
    fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
        write!(f, "{}", self.value)
    }
}

fn exec_impl(ms: &impl MyTrait) -> &impl MyTrait{
    ms.get_self()
}

fn main() {
    let s1 : MyStruct = MyStruct::default();
    let s2 : &impl MyStruct = exec_impl(&s1);
    s2.print();
}

14.2.2 动态分发(dynamic dispatch)

动态分发(dynamic dispatch)指编译时没有确定具体类型，只知道值是实现某些trait的类型(即这个值可以是任何实现了指定trait的类型)。此时这种类型被称为trait object(即具体类型需要等运行时才能知晓)。可以看出动态分配与Java中多态的行为类似。

使用动态分发在编译期无法确定调用的是那个类的方法，需要运行时才能知道，这会带来一些性能损耗，这需要权衡。

语法：

• 在使用泛型的位置使用&dyn MyTrait或者Box，其中dyn是关键字。
• 假如trait的名字为MyTrait，则当声明变量或者出入参等位置需要使用MyTrait时，需要使用&dyn MyTrait作为类型的占位符。

pub fn format(input: &mut String, formatters: Vec<&dyn Formatter>) {
    for formatter in formatters {
        formatter.format(input);
    }
}

示例：

use std::{fmt::Display};


trait MyTrait {
    fn get_self(&self) -> &dyn MyTrait;

    fn print(&self);
}

#[derive(Debug, Default)]
struct MyStruct {
    value: String,
}

impl MyTrait for MyStruct {
    
    fn get_self(&self) -> &dyn MyTrait {
        self
    }

    fn print(&self) {
        print!("{:#?}", self)
    }
}

impl Display for dyn MyTrait {
    fn fmt(&self, f: &mut std::fmt::Formatter<'_>) -> std::fmt::Result {
        write!(f, "value={}", self)
    }
}

fn exec_dyn(ms: &dyn MyTrait) -> &dyn MyTrait {
    ms.get_self()
}

fn main() {
    let s1 = MyStruct::default();
    let s2 = exec_dyn(&s1);
    s2.print();
}

14.2.3 Trait Object

Trait Object实现原理

• Trait Object 指的是当使用动态分发时实际在程序中代替trait使用的值。
• Trait Object 的底层逻辑就是胖指针。其中，一个指针指向数据本身，另一个则指向虚函数表（vtable）。
• vtable 是一张静态的表，Rust 在编译时会为使用了 trait object 的类型的 trait 实现生成一张表，放在可执行文件中（一般在 TEXT 或 RODATA 段）。vtable中保存的信息：
  • destructor：如何释放值，可以认为是析构方法？
  • size：类型的大小；
  • alignment：对齐方式；
  • .xxx()：函数指针，实际类型具体实现的方法，这里的xxx是对应的方法名；

Trait Object结构如下：

不能使用动态分发的情况

如果 trait 所有的方法，返回值是 Self 或者携带泛型参数，那么这个 trait 就不能产生 trait object。

• 不允许返回 Self，是因为 trait object 在产生时，原来的类型会被抹去，所以 Self 究竟是谁不知道。比如 Clone trait 只有一个方法 clone()，返回 Self，所以它就不能产生 trait object。
• 不允许携带泛型参数，是因为 Rust 里带泛型的类型在编译时会做单态化，而 trait object 是运行时的产物，两者不能兼容。 比如 Fromtrait，因为整个 trait 带了泛型，每个方法也自然包含泛型，就不能产生 trait object。如果一个 trait 只有部分方法返回 Self 或者使用了泛型参数，那么这部分方法在 trait object 中不能调用。