## 为使用不同类型的值而设计的 trait 对象

> ch17-02-trait-objects.md
> commit 67876e3ef5323ce9d394f3ea6b08cb3d173d9ba9

在第八章，我们谈到了 vector 只能存储同种类型元素的局限。在列表 8-1 中有一个例子，其中定义了存放包含整型、浮点型和文本型成员的枚举类型`SpreadsheetCell`，这样就可以在每一个单元格储存不同类型的数据，并使得 vector 仍然代表一行单元格。当编译时就知道类型集合全部元素的情况下，这种方案是可行的。

有时，我们希望使用的类型的集合对于使用库的程序员来说是可扩展的。例如，很多图形用户接口（GUI）工具有一个条目列表的概念，它通过遍历列表并对每一个条目调用 `draw` 方法来绘制在屏幕上。我们将要创建一个叫做 `rust_gui` 的包含一个 GUI 库结构的库 crate。GUI 库可以包含一些供开发者使用的类型，比如 `Button` 或 `TextField`。使用 `rust_gui` 的程序员会想要创建更多可以绘制在屏幕上的类型：一个程序员可能会增加一个 `Image`，而另一个可能会增加一个 `SelectBox`。我们不会在本章节实现一个功能完善的 GUI 库，不过会展示各个部分是如何结合在一起的。

当写 `rust_gui` 库时，我们不知道其他程序员需要什么类型，所以无法定义一个 `enum` 来包含所有的类型。然而 `rust_gui` 需要跟踪所有这些不同类型的值，需要有在每个值上调用 `draw` 方法能力。我们的 GUI 库不需要确切地知道调用 `draw` 方法会发生什么，只需要有可用的方法供我们调用。

在可以继承的语言里，我们会定义一个名为 `Component` 的类，该类上有一个`draw`方法。其他的类比如`Button`、`Image`和`SelectBox`会从`Component`继承并拥有`draw`方法。它们各自覆写`draw`方法以自定义行为，但是框架会把所有的类型当作是`Component`的实例，并在其上调用`draw`。

### 定义一个带有自定义行为的Trait

不过，在Rust语言中，我们可以定义一个 `Draw` trait，包含名为 `draw` 的方法。我们定义一个由trait对象组成的vector，绑定了某种指针的trait，比如`&`引用或者一个`Box<T>`智能指针。

之前提到，我们不会称结构体和枚举为对象，以区分其他语言的结构体和枚举对象。结构体或者枚举成员中的数据和`impl`块中的行为是分开的，而其他语言则是数据和行为被组合到一个对象里。Trait 对象更像其他语言的对象，因为他们将其指针指向的具体对象作为数据，将在 trait 中定义的方法作为行为，组合在了一起。但是，trait 对象和其他语言是不同的，我们不能向一个 trait 对象增加数据。trait 对象不像其他语言那样有用：它们的目的是允许从公有行为上抽象。

trait 对象定义了给定情况下应有的行为。当需要具有某种特性的不确定具体类型时，我们可以把 trait 对象当作 trait 使用。Rust 的类型系统会保证我们为 trait 对象带入的任何值会实现 trait 的方法。我们不需要在编译阶段知道所有可能的类型，却可以把所有的实例统一对待。列表 17-03 展示了如何定义一个名为`Draw`的带有`draw`方法的 trait。

文件名: src/lib.rs

    pub trait Draw {
        fn draw(&self);
    }

列表 17-3:`Draw` trait 的定义

因为我们已经在第十章讨论过如何定义 trait，你可能比较熟悉。下面是新的定义：列表 17-4 有一个名为 `Screen` 的结构体，里面有一个名为 `components` 的 vector，`components` 的类型是 `Box<Draw>`。`Box<Draw>` 是一个 trait 对象：它是 `Box` 内部任意一个实现了 `Draw` trait 的类型的替身。

文件名: src/lib.rs

    # pub trait Draw {
    #     fn draw(&self);
    # }
    #
    pub struct Screen {
        pub components: Vec<Box<Draw>>,
    }

列表 17-4: 一个 `Screen` 结构体的定义，它带有一个字段`components`，其包含实现了 `Draw` trait 的 trait 对象的 vector

在 `Screen` 结构体上，我们将要定义一个 `run` 方法，该方法会在它的 `components` 上的每一个元素调用 `draw` 方法，如列表 17-5 所示：

文件名: src/lib.rs

    # pub trait Draw {
    #     fn draw(&self);
    # }
    #
    # pub struct Screen {
    #     pub components: Vec<Box<Draw>>,
    # }
    #
    impl Screen {
        pub fn run(&self) {
            for component in self.components.iter() {
                component.draw();
            }
        }
    }

列表 17-5:在 `Screen` 上实现一个 `run` 方法，该方法在每个 component 上调用 `draw` 方法

这与带 trait 约束的泛型结构体不同(trait 约束泛型参数)。泛型参数一次只能被一个具体类型替代，而 trait 对象可以在运行时允许多种具体类型填充 trait 对象。比如，我们已经定义了 `Screen` 结构体使用泛型和一个 trait 约束，如列表 17-6 所示：

文件名: src/lib.rs

    # pub trait Draw {
    #     fn draw(&self);
    # }
    #
    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();
            }
        }
    }

列表 17-6: 一种 `Screen` 结构体的替代实现，它的 `run` 方法使用通用类型和 trait 绑定

这个例子中，`Screen` 实例所有组件类型必需全是 `Button`，或者全是 `TextField`。如果你的组件集合是单一类型的，那么可以优先使用泛型和 trait 约束，因为其使用的具体类型在编译阶段即可确定。

而 `Screen` 结构体内部的 `Vec<Box<Draw>>` trait 对象列表，则可以同时包含 `Box<Button>` 和 `Box<TextField>`。我们看它是怎么工作的，然后讨论运行时性能。

### 来自我们或者库使用者的实现

现在，我们增加一些实现了 `Draw` trait 的类型，再次提供 `Button`。实现一个 GUI 库实际上超出了本书的范围，因此 `draw` 方法留空。为了想象实现可能的样子，`Button` 结构体有 `width`、`height` 和 `label`字段，如列表 17-7 所示：

文件名: src/lib.rs

    # pub trait Draw {
    #     fn draw(&self);
    # }
    #
    pub struct Button {
        pub width: u32,
        pub height: u32,
        pub label: String,
    }

    impl Draw for Button {
        fn draw(&self) {
            // Code to actually draw a button
        }
    }

列表 17-7: 实一个现了`Draw` trait 的 `Button` 结构体

在 `Button` 上的 `width`、`height` 和 `label` 会和其他组件不同，比如 `TextField` 可能有 `width`、`height`, `label` 以及 `placeholder` 字段。每个我们可以在屏幕上绘制的类型都会实现 `Draw` trait，在 `draw` 方法中使用不同的代码，定义了如何绘制 `Button`。除了 `Draw` trait，`Button` 也可能有一个 `impl` 块，包含按钮被点击时的响应方法。这类方法不适用于 `TextField` 这样的类型。

假定我们的库的用户相要实现一个包含 `width`、`height` 和 `options` 的 `SelectBox` 结构体。同时也在 `SelectBox` 类型上实现了 `Draw` trait，如 列表 17-8 所示：

文件名: src/main.rs

    extern crate rust_gui;
    use rust_gui::Draw;

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

    impl Draw for SelectBox {
        fn draw(&self) {
            // Code to actually draw a select box
        }
    }

列表 17-8: 另外一个 crate 中，在 `SelectBox` 结构体上使用 `rust_gui` 和实现了`Draw` trait

库的用户现在可以在他们的 `main` 函数中创建一个 `Screen` 实例，然后把自身放入 `Box<T>` 变成 trait 对象，向 screen 增加 `SelectBox` 和 `Button`。他们可以在这个 `Screen` 实例上调用 `run` 方法，这又会调用每个组件的 `draw` 方法。 列表 17-9 展示了实现：

文件名: src/main.rs

    use rust_gui::{Screen, Button};

    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();
    }

列表 17-9: 使用 trait 对象来存储实现了相同 trait 的不同类型

虽然我们不知道哪一天会有人增加 `SelectBox` 类型，但是我们的 `Screen` 能够操作 `SelectBox` 并绘制它，因为 `SelectBox` 实现了 `Draw` 类型，这意味着它实现了 `draw` 方法。

只关心值的响应，而不关心其具体类型，这类似于动态类型语言中的 duck typing：如果它像鸭子一样走路，像鸭子一样叫，那么它就是只鸭子！在 Listing 17-5 `Screen` 的 `run` 方法实现中，`run` 不需要知道每个组件的具体类型。它也不检查组件是 `Button` 还是 `SelectBox` 的实例，只管调用组件的 `draw` 方法。通过指定 `Box<Draw>` 作为 `components` 列表中元素的类型，我们约束了 `Screen` 需要这些实现了 `draw` 方法的值。

Rust 类型系统使用 trait 对象来支持 duck typing 的好处是，我们无需在运行时检查一个值是否实现了特定方法，或是担心调用了一个值没有实现的方法。如果值没有实现 trait 对象需要的 trait（方法），Rust 不会编译。

比如，列表 17-10 展示了当我们创建一个使用 `String` 做为其组件的 `Screen` 时发生的情况：

文件名: src/main.rs

    extern crate rust_gui;
    use rust_gui::Draw;

    fn main() {
        let screen = Screen {
            components: vec![
                Box::new(String::from("Hi")),
            ],
        };

        screen.run();
    }

列表 17-10: 尝试使用一种没有实现 trait 对象的类型

我们会遇到这个错误，因为 `String` 没有实现 `Draw` trait：

    error[E0277]: the trait bound `std::string::String: Draw` is not satisfied
      -->
       |
     4 |             Box::new(String::from("Hi")),
       |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `Draw` is not
       implemented for `std::string::String`
       |
       = note: required for the cast to the object type `Draw`

这个错误告诉我们，要么传入 `Screen` 需要的类型，要么在 `String` 上实现 `Draw`，以便`Screen` 调用它的 `draw` 方法。

### Trait 对象执行动态分发

回忆一下第十章我们讨论过的，当我们在泛型上使用 trait 约束时，编译器按单态类型处理：在需要使用范型参数的地方，编译器为每个具体类型生成非泛型的函数和方法实现。单态类型处理产生的代码实际就是做 static dispatch：方法的代码在编译阶段就已经决定了，当调用时，寻找那段代码非常快速。

当我们使用 trait 对象，编译器不能按单态类型处理，因为无法知道使用代码的所有可能类型。而是调用方法的时候，Rust 跟踪可能被使用的代码，在运行时找出调用该方法时应使用的代码。这也是我们熟知的 dynamic dispatch，查找过程会产生运行时开销。动态分发也会阻止编译器内联函数，失去一些优化途径。尽管获得了额外的灵活性，但仍然需要权衡取舍。

### Trait 对象需要对象安全

不是所有的 trait 都可以被放进 trait 对象中; 只有对象安全的（object safe）trait 才可以这样做. 一个 trait 只有同时满足如下两点时才被认为是对象安全的:

- 该 trait 要求 `Self` 不是 `Sized`;
- 该 trait 的所有方法都是对象安全的;

`Self` 是一个类型的别名关键字，它表示当前正被实现的 trait 类型或者是方法所属的类型. `Sized`是一个像在第十六章中介绍的`Send`和`Sync`那样的标记 trait, 在编译时它会自动被放进大小确定的类型里，比如`i32`和引用. 大小不确定的类型有 slice（`[T]`）和 trait 对象.

`Sized` 是一个默认会被绑定到所有常规类型参数的内隐 trait. Rust 中要求一个类型是`Sized`的最具可用性的用法是让`Sized`成为一个默认的 trait 绑定，这样我们就可以在大多数的常规的用法中不去写 `T: Sized` 了. 如果我们想在切片（slice）中使用一个 trait, 我们需要取消对`Sized`的 trait 绑定, 我们只需制定`T: ?Sized`作为 trait 绑定.

默认绑定到 `Self: ?Sized` 的 trait 可以被实现到是 `Sized` 或非 `Sized` 的类型上. 如果我们创建一个不绑定 `Self: ?Sized` 的 trait `Foo`，它看上去应该像这样:

    trait Foo: Sized {
        fn some_method(&self);
    }

Trait `Sized`现在就是 trait `Foo`的一个超级 trait（supertrait）, 也就是说 trait `Foo` 需要实现了 `Foo` 的类型(即`Self`)是`Sized`. 我们将在第十九章中更详细的介绍超 trait（supertrait）.

像`Foo`那样要求`Self`是`Sized`的 trait 不允许成为 trait 对象的原因是不可能为 trait 对象`Foo`实现 trait `Foo`: trait 对象是无确定大小的，但是 `Foo` 要求 `Self` 是 `Sized`. 一个类型不可能同时既是有大小的又是无确定大小的.

第二点说对象安全要求一个 trait 的所有方法必须是对象安全的. 一个对象安全的方法满足下列条件:

- 它要求 `Self` 是 `Sized` 或者
- 它符合下面全部三点:
  - 它不包含任意类型的常规参数
  - 它的第一个参数必须是类型 `Self` 或一个引用到 `Self` 的类型(也就是说它必须是一个方法而非关联函数并且以 `self`、`&self` 或 `&mut self` 作为第一个参数)
  - 除了第一个参数外它不能在其它地方用 `Self` 作为方法的参数签名

虽然这些规则有一点形式化, 但是换个角度想一下: 如果你的方法在它的参数签名的其它地方也需要具体的 `Self` 类型参数, 但是一个对象又忘记了它的具体类型是什么, 这时该方法就无法使用被它忘记的原先的具体类型. 当该 trait 被使用时, 被具体类型参数填充的常规类型参数也是如此: 这个具体的类型就成了实现该 trait 的类型的某一部分, 如果使用一个 trait 对象时这个类型被抹掉了, 就没有办法知道该用什么类型来填充这个常规类型参数.

一个 trait 的方法不是对象安全的一个例子是标准库中的 `Clone` trait. `Clone` trait 的 `clone` 方法的参数签名是这样的:

    pub trait Clone {
        fn clone(&self) -> Self;
    }

`String` 实现了 `Clone` trait, 当我们在一个 `String` 实例上调用 `clone` 方法时, 我们会得到一个 `String` 实例. 同样地, 如果我们在一个 `Vec` 实例上调用 `clone` 方法, 我们会得到一个 `Vec` 实例. `clone` 的参数签名需要知道 `Self` 是什么类型, 因为它需要返回这个类型.

如果我们像列表 17-3 中列出的 `Draw` trait 那样的 trait 上实现 `Clone`, 我们就不知道 `Self` 将会是一个 `Button`, 一个 `SelectBox`, 或者是其它的在将来要实现 `Draw` trait 的类型.

如果你做了违反 trait 对象的对象安全性规则的事情, 编译器将会告诉你. 比如, 如果你实现在列表 17-4 中列出的 `Screen` 结构, 你想让该结构像这样持有实现了 `Clone` trait 的类型而不是 `Draw` trait:

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

我们将会得到下面的错误:

    error[E0038]: the trait `std::clone::Clone` cannot be made into an object
     -->
      |
    2 |     pub components: Vec<Box<Clone>>,
      |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `std::clone::Clone` cannot be
      made into an object
      |
      = note: the trait cannot require that `Self : Sized`