每日一 R「08」类型系统（二）

作者：Samson

2022 年 8 月 16 日
上海
本文字数：2197 字
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今天我们将继续学习多态的另外两种方式：特设多态和子类型多态。首先来简单回顾一下：特设多态指同一种行为有很多不同的实现，例如面向对象语言中的方法重载；子类型多态是指子类型可以当作父类型使用，例如面向对象语言中的里氏替换原则。

Rust 中特设多态和子类型多态的实现都与 trait 相关，trait 可以类比于 Java 中的接口。例如：

trait Num {    fn from_i32(n: i32) -> Self;}

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Trait 中的方法可以有缺省实现。为某个数据结构实现特定 trait 时，可以重新定义、覆盖缺省实现，但必须实现仅声明却未实现的关联方法（关于关联方法的介绍，参考“03-扩展”）。

01-特设多态

Trait 将数据结构中的行为抽取出来，使其可以在多个类型之间共享，也可作为类型约束，限制传入参数必须具备某些行为（实现特定的 trait）。

如前面介绍的那样，基本 trait 比较容易理解，可以类比其他语言中的概念来理解。Trait 也支持一些高级用法，例如关联类型。

在 trait 中可以声明关联类型，也可以通过类型限定语法: xxx限定关联类型。例如：

trait Container {    type E: Debug;    fn empty() -> Self;    fn insert(&mut self, elem: Self::E);}impl<T: Debug> Container for Vec<T> {    type E = T;    fn empty() -> Vec<T> { Vec::new() }    fn insert(&mut self, x: T) { self.push(x); }}

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Trait 中的 “type E” 是声明，”: Debug” 是对 E 的类型限定，即 E 必须实现了 Debug trait。impl 中 “type E = T” 指定了 E 的具体类型。关联类型允许用户把 trait 中使用的类型延迟到实现 trait 时，而非声明时。因此，带有关联类型的 trait 比基本 trait 更灵活，抽象度也更高。

Trait 也可以支持泛型。Trait 为什么需要支持泛型？考虑如下场景，如果我们有一个自定义结构 Complex（复数），我们想为它实现 Add trait，让其支持与 Complex 相加，应该怎么定义？可以按照如下实现：

trait Add {    type E;    pub fn add(self, other: E) -> Self;}impl Add for Complex {    type E = Self;    pub fn add(self, other: Self) -> Self {        ...    }}

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但如果我们想实现 Complex 与 u32 相加呢？怎么实现呢？虽然用上面的方式也能够实现类似的功能，但需要写的代码就非常多，也不够优雅。

带泛型参数的 trait 在这个情形下就非常有用了。上面的代码可以修改为：

trait Add<Rhs = Self> {    type Output;    fn add(self, rhs: Rhs) -> Self::Output;}// 如果不指定泛型，则默认为 Complex 类型impl Add for Complex {}// 指定泛型，意为 Complex + u32impl Add<u32> for Complex {    ...}

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Rust 中，trait 可以“继承”另外一个 trait 中声明的关联函数和关联类型，即在自己的声明中使用“继承”来的关联项。例如，trait B: A 表示任何类型 T，如果实现了 trait B，也必须实现 trait A。考虑如下示例：

impl<T: ?Sized> StreamExt for T where T: Stream { ... }

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意思是为所有实现了 Stream trait 的类型 T 实现 StreamExt trait。所以，如果某个类型实现了 Stream trait，它也一定实现了 StreamExt trait。

通过定义 trait 以及为不同的类型实现这个 trait，我们就已经实现了特设多态。

02-子类型多态

虽然 Rust 中不支持继承，但是 trait 与实现 trait 的类型之间是类似的关系。在对函数入参进行类型限定时，可以使用”impl xxx” 来限定参数的具体必须实现 xxx trait。以下两种写法是等价的：

fn name<T: Animal>(animal: T) -> &'static str { ... }fn name(animal: impl Animal) -> &'static str { ... }

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但是这种本质上是泛型，所以会在编译时进行单态化处理。但有时编译时并不知道运行时的具体类型，所以需要一种方式可以告诉编译器，这是实现了某个 trait 的类型，但并不知道具体的类型。Rust 中使用 trait object 实现，语法是 &dyn Trait 或者 Box<dyn Trait>。这种方式是动态分派。

03-扩展

关联项（Associated Items）指与某个类型关联的项。主要包括三类：关联函数、关联类型和关联常量。

Associated Items are the items declared in traits or defined in implementations. They are called this because they are defined on an associate type — the type in the implementation.

关联函数是指于某个类型关联的函数。根据关联项的定义，关联函数指 trait 中声明或 impl 中定义的函数，其关联的类型即实现 trait 的数据结构或 impl … for 指定的数据结构。例如：

struct Struct {    field: i32}
impl Struct {    fn new() -> Struct {        Struct {            field: 0i32        }    }}
trait Num {    fn from_i32(n: i32) -> Self;}
impl Num for f64 {    fn from_i32(n: i32) -> f64 { n as f64 }}