为什么Rust不支持trait对象的向上转型？

Question

为什么Rust不支持trait对象的向上转型？

ooprustlanguage-designliskov-substitution-principle

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考虑下面的代码：

trait Base {
    fn a(&self);
    fn b(&self);
    fn c(&self);
    fn d(&self);
}

trait Derived : Base {
    fn e(&self);
    fn f(&self);
    fn g(&self);
}

struct S;

impl Derived for S {
    fn e(&self) {}
    fn f(&self) {}
    fn g(&self) {}
}

impl Base for S {
    fn a(&self) {}
    fn b(&self) {}
    fn c(&self) {}
    fn d(&self) {}
}

遗憾的是，我无法将&Derived转换为&Base：

fn example(v: &Derived) {
    v as &Base;
}

error[E0605]: non-primitive cast: `&Derived` as `&Base`
  --> src/main.rs:30:5
   |
30 |     v as &Base;
   |     ^^^^^^^^^^
   |
   = note: an `as` expression can only be used to convert between primitive types. Consider using the `From` trait

为什么会这样呢？Derived类的虚表需要以某种方式引用Base类的方法。

检查LLVM IR，发现如下内容：

@vtable4 = internal unnamed_addr constant {
    void (i8*)*,
    i64,
    i64,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*
} {
    void (i8*)* @_ZN2i813glue_drop.98717h857b3af62872ffacE,
    i64 0,
    i64 1,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1a20h57ba36716de00921jbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1b20h3d50ba92e362d050pbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1c20h794e6e72e0a45cc2vbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1d20hda31e564669a8cdaBbaE
}

@vtable26 = internal unnamed_addr constant {
    void (i8*)*,
    i64,
    i64,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*
} {
    void (i8*)* @_ZN2i813glue_drop.98717h857b3af62872ffacE,
    i64 0,
    i64 1,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1e20h9992ddd0854253d1WaaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1f20h849d0c78b0615f092aaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1g20hae95d0f1a38ed23b8aaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1a20h57ba36716de00921jbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1b20h3d50ba92e362d050pbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1c20h794e6e72e0a45cc2vbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1d20hda31e564669a8cdaBbaE
}

所有 Rust vtable 都包含指向析构函数、大小和对齐方式的指针在其第一个字段中，子特质 vtable 引用超级特质方法时不会复制它们，也不会使用间接引用到超级特质 vtable。它们只是按原样拥有方法指针副本，没有其他内容。

考虑到这种设计，很容易理解为什么这不起作用。新的 vtable 需要在运行时构建，可能驻留在堆栈上，这并不是一种优雅（或最佳）的解决方案。

当然，有一些解决方法，比如添加显式上转型方法到接口中，但这需要相当多的样板文件（或宏狂潮）才能正常工作。

现在的问题是 - 为什么不能以某种方式实现，使特质对象向上转型成为可能？比如，在子特质的 vtable 中添加指向超级特质 vtable 的指针。目前，Rust 的动态分派似乎不符合 Liskov 替换原则，这是面向对象设计的一个非常基本的原则。

当然你可以使用静态分派，在 Rust 中确实非常优雅，但它很容易导致代码膨胀，这有时比计算性能更重要 - 就像在嵌入式系统上一样，并且 Rust 开发人员声称支持语言的这种用例。此外，在许多情况下，你可以成功地使用一个不纯粹面向对象的模型，这似乎是 Rust 函数式设计所鼓励的。尽管如此，Rust 支持许多有用的 OO 模式... 那么为什么不支持 LSP 呢？

有没有人知道这种设计的原理？

- kFYatek

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附带说明：Rust不是面向对象的语言。Traits 不是接口，它们更像来自 Haskell 的类型类（type classes）。Rust 也没有子类型化，所以 LSP 对其有些不适用，因为其定义与子类型关系有关。 - Vladimir Matveev

13

不过，正如我所说的那样，Rust支持许多面向对象的抽象，并且trait允许继承，形成类似类型层次结构的东西。对于我来说，即使OO不是该语言的主要范例，支持LSP trait对象也似乎很自然。 - kFYatek

1

请确保给有用的答案点赞，并在解决了您的问题后将一个答案标记为已接受！如果没有可接受的答案，请考虑留下评论解释原因，或编辑您的问题以不同的方式表达。 - Shepmaster

1

这个问题在 Rust 的一个问题追踪页面中有记录：https://github.com/rust-lang/rust/issues/5665 （我看到你已经找到了，只是在这里提供一个链接。） - Jim Blandy

你是怎么得到这个LLVM IR的？ - Guerlando OCs

5个回答

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截至2017年6月，“子特征强制”（或“超特征强制”）的状态如下：

- 一份被接受的RFC #0401 将其作为强制的一部分进行了提及。因此，此转换应该是隐式完成的。

coerce_inner(T) = U，其中T是U的子特征；

- 然而，这还没有实现。有一个相应的问题 #18600。

此外，还有一个重复的问题 #5665。那里的评论解释了阻止此功能实现的原因。

基本上，问题是如何为超级trait导出虚函数表。当前的虚函数表布局如下（以x86-64为例）：

+-----+-------------------------------+
| 0- 7|指向“drop glue”函数的指针        |
+-----+-------------------------------+
| 8-15|数据的大小                      |
+-----+-------------------------------+
|16-23|数据的对齐方式                  |
+-----+-------------------------------+
|24-  |Self和supertraits的方法          |
+-----+-------------------------------+

它不包含超级trait作为子序列的虚函数表。我们至少需要对虚函数表进行一些调整。

当然，有许多缓解这个问题的方法，但每种方法都有不同的优点/缺点！其中一种在存在菱形继承时可以减小虚函数表的大小。另一种则被认为更快。

在@typelist中提到，他们准备了一个组织良好的草案RFCa draft RFC，但之后他们好像消失了（2016年11月）。

- Masaki Hara

这现在在夜版上运行（在 #![feature(trait_upcasting)] 下），甚至成为稳定的候选！但是有一些关于可执行文件大小的担忧。 - Chayim Friedman

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当我开始学习Rust时，我也遇到了同样的问题。

trait X: Y {} 的意思是，当你为结构体 S 实现trait X 时，你也需要为 S 实现trait Y。

当然，这意味着一个 &X 知道它也是一个 &Y，因此提供了相应的函数。如果您需要先遍历指向Y的vtable指针，则需要一些运行时开销（更多的指针解引用）。

不过，当前的设计加上其他vtable指针可能不会造成太大的负担，并且可以实现简单的类型转换。所以也许我们两者都需要？这是在internals.rust-lang.org上讨论的事情。

- oli_obk

你能开发吗？尤其是如何处理或解决不同设计的问题？我在 Rust 编程的前两个小时也遇到了相同的问题 :/ - sandwood

2

这个特性非常受欢迎，以至于有一个跟踪问题来将其添加到语言中，还有一个专门的倡议存储库供贡献者实现它。

跟踪问题：https://github.com/rust-lang/rust/issues/65991 倡议存储库：https://github.com/rust-lang/dyn-upcasting-coercion-initiative

- pnkfelix

1

现在它可以在稳定的Rust上运行，您可以向上转型到基本trait，也可以直接从派生trait对象调用基本trait函数

trait Base {
   fn a(&self) {
     println!("a from base");
   }
}

trait Derived: Base {
   fn e(&self) {
     println!("e from derived");
   }
}

fn call_derived(d: &impl Derived) {
   d.e();
   d.a();
   call_base(d);
}

fn call_base(b: &impl Base) {
   b.a();
}

struct S;
impl Base for S {}
impl Derived for S {}

fn main() {
   let s = S;
   call_derived(&s);
}

游乐场链接

- Mohammed Essehemy

稳定版 Rust 的版本是多少？ - Craig McQueen

@CraigMcQueen 我不确定最低版本，但上面的游乐场链接显示它可以在1.64.0上运行。 - Mohammed Essehemy

2

预期的功能还没有稳定（尚未）。想要的是从&dyn Derived到&dyn Base的转换。从&impl Derived到&impl Base的转换一直是允许的。 - Chayim Friedman

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- kFYatek · Accepted Answer

实际上，我认为我已经找到了原因。我找到了一种优雅的方法来为任何希望支持向上转型的trait添加支持，程序员可以选择是否将该额外的vtable条目添加到trait中，或者选择不添加，这类似于C++中虚拟和非虚拟方法之间的权衡：优雅性和模型正确性与性能之间的平衡。

代码可以按以下方式实现：

trait Base: AsBase {
    // ...
}

trait AsBase {
    fn as_base(&self) -> &Base;
}

impl<T: Base> AsBase for T {
    fn as_base(&self) -> &Base {
        self
    }
}

可以添加额外的方法来转换 &mut 指针或 Box（这需要添加一个要求，即 T 必须是 'static 类型），但这只是一个通用的想法。这允许对每个派生类型进行安全且简单（虽然不是隐式的）向上转换而无需为每个派生类型编写样板代码。