trait對象 （trait object）

trait對象在Rust中是指使用指針封裝了的 trait，比如 &SomeTrait 和 Box<SomeTrait>。

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) } }

fn do_something(x: &Foo) {
    x.method();
}

fn main() {
    let x = "Hello".to_string();
    do_something(&x);
    let y = 8u8;
    do_something(&y);
}

x: &Foo其中x是一個trait對象，這裡用指針是因為x可以是任意實現Foo的類型實例，內存大小並不確定，但指針的大小是固定的。

trait對象的實現

&SomeTrait 類型和普通的指針類型&i32不同。它不僅包括指向真實對象的指針，還包括一個指向虛函數表的指針。它的內部實現定義在在std::raw模塊中：

#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct TraitObject {
    pub data: *mut (),
    pub vtable: *mut (),
}
}

其中data是一個指向實際類型實例的指針， vtable是一個指向實際類型對於該trait的實現的虛函數表：

Foo的虛函數表類型：

#![allow(unused)]
fn main() {
struct FooVtable {
    destructor: fn(*mut ()),
    size: usize,
    align: usize,
    method: fn(*const ()) -> String,
}
}

之前的代碼可以解讀為：

#![allow(unused)]
fn main() {
// u8:
// 這個函數只會被指向u8的指針調用
fn call_method_on_u8(x: *const ()) -> String {
    let byte: &u8 = unsafe { &*(x as *const u8) };

    byte.method()
}

static Foo_for_u8_vtable: FooVtable = FooVtable {
    destructor: /* compiler magic */,
    size: 1,
    align: 1,

    method: call_method_on_u8 as fn(*const ()) -> String,
};


// String:
// 這個函數只會被指向String的指針調用
fn call_method_on_String(x: *const ()) -> String {
    let string: &String = unsafe { &*(x as *const String) };

    string.method()
}

static Foo_for_String_vtable: FooVtable = FooVtable {
    destructor: /* compiler magic */,
    size: 24,
    align: 8,

    method: call_method_on_String as fn(*const ()) -> String,
};


let a: String = "foo".to_string();
let x: u8 = 1;

// let b: &Foo = &a;
let b = TraitObject {
    // data存儲實際值的引用
    data: &a,
    // vtable存儲實際類型實現Foo的方法
    vtable: &Foo_for_String_vtable
};

// let y: &Foo = x;
let y = TraitObject {
    data: &x,
    vtable: &Foo_for_u8_vtable
};

// b.method();
(b.vtable.method)(b.data);

// y.method();
(y.vtable.method)(y.data);
}

對象安全

並不是所有的trait都能作為trait對象使用的，比如：

#![allow(unused)]
fn main() {
let v = vec![1, 2, 3];
let o = &v as &Clone;
}

會有一個錯誤：

error: cannot convert to a trait object because trait `core::clone::Clone` is not object-safe [E0038]
let o = &v as &Clone;
        ^~
note: the trait cannot require that `Self : Sized`
let o = &v as &Clone;
        ^~

讓我來分析一下錯誤的原因：

#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Clone: Sized {
    fn clone(&self) -> Self;

    fn clone_from(&mut self, source: &Self) { ... }
}
}

雖然Clone本身繼承了Sized這個trait，但是它的方法fn clone(&self) -> Self和fn clone_from(&mut self, source: &Self) { ... }含有Self類型，而在使用trait對象方法的時候Rust是動態派發的，我們根本不知道這個trait對象的實際類型，它可以是任何一個實現了該trait的類型的值，所以Self在這裡的大小不是Self: Sized的，這樣的情況在Rust中被稱為object-unsafe或者not object-safe，這樣的trait是不能成為trait對象的。

總結：

如果一個trait方法是object safe的，它需要滿足：

• 方法有Self: Sized約束， 或者
• 同時滿足以下所有條件：
  • 沒有泛型參數
  • 不是靜態函數
  • 除了self之外的其它參數和返回值不能使用Self類型

如果一個trait是object-safe的，它需要滿足：

• 所有的方法都是object-safe的，並且
• trait 不要求 Self: Sized 約束

參考stackoverflow object safe rfc