为什么Rust不支持trait对象向上转换？

7uzetpgm 于 2022-11-12 发布在其他

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给定以下代码：

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) {}
}

不幸的是，我无法将&Derived转换为&Base：
第一个
为什么？Derived vtable必须以某种方式引用Base方法。
检查LLVM IR可发现以下内容：

@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
}

所有的Rust vtables都包含一个指向析构函数的指针，在第一个字段中包含大小和对齐方式，并且subtrait vtables在引用supertrait方法时不会复制它们，也不会间接引用supertrait vtables。它们只会原封不动地复制方法指针，没有其他内容。
在这种设计下，很容易理解为什么这样做不起作用。在运行时需要构造一个新的vtable，它可能驻留在堆栈上，这并不是一个优雅（或最优）的解决方案。
当然，也有一些变通办法，比如在接口中添加显式的upcast方法，但这需要相当多的样板（或宏疯狂）才能正常工作。
现在，问题是--为什么它没有以某种方式实现，以支持trait对象的向上转换？比如，在subtrait的vtable中添加一个指向supertrait的vtable的指针。目前，Rust的动态调度似乎还不满足Liskov substitution principle，这是面向对象设计的一个非常基本的原则。
当然，你可以使用静态调度，这在Rust中使用起来确实非常优雅，但是它很容易导致代码膨胀，有时候代码膨胀比计算性能更重要--比如在嵌入式系统上，Rust开发人员声称支持这种语言的用例。这似乎受到了Rust的功能设计的鼓励。尽管如此，Rust支持许多有用的OO模式......那么为什么LSP不支持呢？
有人知道这样设计的理由吗？

rust

来源：https://stackoverflow.com/questions/28632968/why-doesnt-rust-support-trait-object-upcasting

5条答案

按热度按时间

guz6ccqo1#

实际上，我想我已经找到了原因。我找到了一种优雅的方法，可以为任何需要的trait添加上转换支持，这样程序员就可以选择是否添加额外的vtable条目到trait中，这与C++的虚拟方法和非虚拟方法的权衡类似：优雅性和模型正确性与性能。
该代码可按如下方式实现：

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（这增加了T必须是'static类型的要求），但这是一个通用的想法。这允许安全和简单（尽管不是隐式的）的每个派生类型的上转换，而不需要每个派生类型的样板。

赞(0）回复(0）举报 2022-11-12

m1m5dgzv2#

截至2017年6月，这种“次特质强制”（或“超特质强制”）的状态如下：

一个公认的RFC #0401将此作为强制的一部分。因此，此转换应隐式完成。

强制_内部（T）= U其中T是U的子特性;

但是，这还没有实现。有一个相应的问题#18600。

还有一个重复的问题#5665。那里的评论解释了是什么阻止了这一点的实现。

基本上，问题是如何导出超级特性的vtables。当前vtables的布局如下（在x86-64的情况下）：

+-----+-------------------------------+
| 0- 7|pointer to "drop glue" function|
+-----+-------------------------------+
| 8-15|size of the data               |
+-----+-------------------------------+
|16-23|alignment of the data          |
+-----+-------------------------------+
|24-  |methods of Self and supertraits|
+-----+-------------------------------+

它不包含一个作为子序列的超级特性的vtable。我们至少要对vtable做一些调整。

当然，有很多方法可以缓解这个问题，但是有很多方法都有不同的优缺点！一种方法在有钻石继承时对vtable的大小有好处。另一种方法应该更快。

@typelist说他们准备了a draft RFC，看起来组织得很好，但在那之后（2016年11月），它们看起来就像消失了一样。

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dddzy1tm3#

当我开始研究Rust的时候，我也遇到了同样的问题。现在，当我想到特质的时候，我脑海中的形象与我想到类的时候不同。
trait X: Y {}表示当您为结构体S实现特征X时，您还需要为S实现特征Y。
当然，这意味着&X知道它也是&Y，因此提供了相应的函数。如果你需要先遍历指向Y的vtable的指针，这将需要一些运行时工作（更多的指针解引用）。
但是，当前的设计+指向其他vtable的额外指针可能不会造成太大的伤害，并且允许实现简单的强制转换。所以，也许我们两者都需要？这将在internals.rust-lang.org上讨论

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k7fdbhmy4#

这个特性是如此的受欢迎，以至于既有一个将它添加到语言中的跟踪问题，也有一个专门的计划库供实现它的人使用。
跟踪问题：https://github.com/rust-lang/rust/issues/65991
方案存储库：https://github.com/rust-lang/dyn-upcasting-coercion-initiative

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9vw9lbht5#

现在这是在稳定的rust上工作的，你可以向上转换到基本特征，也可以直接从派生特征对象调用基本特征函数

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);
}

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