Rust：Trait

1、Trait是什么？

一个Trait描述了一种抽象接口（找不到很合适的词），这个抽象接口可以被类型继承。Trait只能由三部分组成（可能只包含部分）：

• functions（方法）
• types（类型）
• constants（常量）

所有的Trait都定义了一个隐含类型Self，其指向实现该Trait的类型。Traits可能也包含额外的类型参数，这些类型参数（包括Self），与往常一样可能受到其他Traits等的约束。

类型需要通过独立的implementations去实现不同的Trait。

trait中不必须提供与trait关联的条目的实际定义（类型别名的实际类型、函数的函数体、常数的值表达式），是可选的。如果Trait提供了定义，该定义即为任何实现它的类型的默认行为（如果对应类型没有override的话）；如果Trait未提供定义，则任何实现它的类型都必须提供一个定义。

2、Self与self

Self：实现Trait的类型的别名

self：方法参数 fn f(self) {}，等价于fn f(self: Self) {}

同理有：

&self等价于self: &Self，

&mut self等价于self: &mut Self

3、默认实现 + 无Override

 trait Hello {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi");
     }
 }
 ​
 struct Student {}
 impl Hello for Student {}
 struct Teacher {}
 impl Hello for Teacher {}
 ​
 fn main() {
     let s = Student {};
     s.say_hi();
     let t = Teacher {};
     t.say_hi();
 }

默认实现 + Override

 trait Hello {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi");
     }
 }
 ​
 struct Nobody {}
 impl Hello for Nobody {}
 struct Teacher {}
 impl Hello for Teacher {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi, I'm teacher Lee.");
     }
 }
 ​
 fn main() {
     let n = Nobody {};
     n.say_hi();
     let t = Teacher {};
     t.say_hi();
 }

无默认实现

 trait Hello {
     fn say_hi(&self);
 }
 ​
 struct Student {}
 impl Hello for Student {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi, I'm Jack.");
     }
 }
 struct Teacher {}
 impl Hello for Teacher {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi, I'm teacher Lee.");
     }
 }
 ​
 fn main() {
     let s = Student {};
     s.say_hi();
     let t = Teacher {};
     t.say_hi();
 }

4、孤儿规则（Orphan rule）

如果我们有如下定义，会是什么样呢？

 use std::ops::Add;
 ​
 impl Add<i32> for i32 {
     type Output = i32;
     fn add(self, other: i32) -> Self::Output {
         self - other
     }
 }
 ​
 fn main() {}

会发生编译错误，其中一个错误为：

 error[E0117]: only traits defined in the current crate can be implemented for arbitrary types
  --> srcmain.rs:3:1
   |
 3 | impl Add<i32> for i32 {
   | ^^^^^--------^^^^^---
   | |    |            |
   | |    |            `i32` is not defined in the current crate
   | |    `i32` is not defined in the current crate
   | impl doesn't use only types from inside the current crate
   |
   = note: define and implement a trait or new type instead

这个就是孤儿规则在起作用：当你为某类型实现某 trait 的时候，该类型或者trait至少有一个是在当前 crate 中定义的，你不能为第三方的类型实现第三方的 trait 。

5、Trait与泛型

 trait Hello<T> {
     fn world<T>(&self, i: T) -> String;
 }

上述就是一个简单的携带泛型T的trait

6、Trait用途一：接口抽象

 trait Hello {
     fn say_hi(&self) {
         println!("hi");
     }
 }
 ​
 struct Student {}
 impl Hello for Student {}
 ​
 fn main() {
     let s = Student {};
     s.say_hi();
 }

7、Trait用途二：泛型约束

比如要编写一个函数，但是只能对指定类型生效，这个时候可以借助Trait作为泛型的约束，称之为Trait Bound（Trait限定），当然Trait Bound可以同时存在多个，用"+"连接

 trait Run {
 }
 trait Eat {
 }
 #[derive(Debug)]
 struct Horse {
 }
 impl Run for Horse {
 }
 impl Eat for Horse {
 }
 fn demo<T: Run + Eat>(x: T) {}
 //如下方式是等价的
 //fn demo<T>(x: T) where T: Run + Eat {}

泛型约束还可以作用于trait本身

trait Learning {}
trait Teaching: Learning {}

struct Student {}
impl Learning for Student {}

struct Teacher {}
impl Learning for Teacher {}
impl Teaching for Teacher {}

表明只有实现了 Learning 的trait类型才能实现 Teaching trait

8、Trait用途三：作为抽象类型 - Trait Object（Trait对象，动态分发）

当我们只关心某个类型是否实现了特定trait，而不关注其具体类型的时候，就该Trait Object（Trait对象）登场了，请看下面两个例子的差别，前者使用泛型+Trait bound，后者使用Trait对象

泛型模式：

 trait Run {}
 struct Human {}
 impl Run for Human {}
 struct Cat {}
 impl Run for Cat {}
 fn demo<T>(x: Vec<Box<T>>) where T: Run {}
 fn main() {
     let mut v = vec![];
     v.push(Box::new(Human {}));
     //v.push(Box::new(Cat {}));  //这行会导致编译失败
     demo(v);
 }

Trait对象模式：

 trait Run {}
 struct Human {}
 impl Run for Human {}
 struct Cat {}
 impl Run for Cat {}
 fn demo(x: Vec<Box<dyn Run>>) {}
 fn main() {
     let mut v: Vec<Box<dyn Run>> = vec![];
     v.push(Box::new(Human {}));
     v.push(Box::new(Cat {}));
     demo(v);
 }

Trait object的本质是指针，它可以指向不同的类型，指向的具体类型不同，调用的方法也不同。

对象安全

一个Trait Object是指实现了一组Traits的某个类型的不确定值，这组Traits由对象安全的Trait以及auto traits组成，即一个Trait是对象安全的，如果满足：

• Trait本身是没有Self: Sized约束
• 所有方法都是Object Safe（对象安全）的

所有方法都必须满足如下约束才能成为是Object Safe的

• 函数有Self: Sized约束，
• -------------或者满足如下所有条件---------------
• 函数不能有泛型参数
• 第一个参数必须为Self类型或者可以解引用为Self的类型（目前包含self&self&mut selfself:: Box<Self>）
• 其他参数或者返回值均不能使用Self类型

9、Trait用途四：作为抽象类型 - impl Trait

impl TraitName可以作为返回值类型（更准确的说，impl TraitName并不是一个类型），也可以作为函数参数，2018版本，impl Trait只能出现在这两个位置。该使用方式在Closure和Iterator中十分有用，以后介绍；

 trait Run {
 }
 struct Human {
 }
 impl Run for Human {
 }
 fn demo() -> impl Run {
     Human {}
 }
 fn main() {
 }

特别需要指出的是，函数的不同分支的返回值需要为同一个具体类型，如下方式将会编译失败。

 trait Run {
 }
 struct Human {
 }
 impl Run for Human {
 }
 struct Cat {
 }
 impl Run for Cat {
 }
 fn demo(x: i32) -> impl Run {
     if x > 0 {
         Human {}
     } else {
         Cat {}
     }
 }
 fn main() {
 }

10、Trait中的所有权

Trait方法如果接受了 self 类型的参数，则会消耗类型的值自身，比如

 trait Run {
     fn run_and_die(self);
 }
 #[derive(Debug)]
 struct Horse {
 ​
 }
 impl Run for Horse {
     fn run_and_die(self) {
 ​
     }
 }
 fn main() {
     let h = Horse {};
     h.run_and_die();
     //println!("{:?}", h);  //这行会导致失败，因为run_and_die会消耗自己
 }

11、Derive

编译器允许你通过 #[derive] 属性自动实现一些Trait，这些Trait包含：

• 比较相关的：Eq，PartialEq，Ord，PartialOrd
• Clone，经由&T创建T
• Copy，实现T的复制语义
• Hash，计算&T的哈希值
• Default，创建数据类型的空实例
• Debug，使得可以用 {:?}格式化T

你既可以通过#[derive]自动实现这些Trait，也可以自己手动去impl这些Trait

 #[derive(Debug,Copy, Clone)]
 struct Person {}

12、Unsafe Trait

带有unsafe关键字定义的Trait，使用unsafe Trait 是safe的，一个类型实现unsafe Trait的时候，必须使用unsafe impl作为前缀，比如Send和Sync是unsafe的，则impl这两个Trait如下

 unsafe impl Send for Student {}

13、常见的Trait

a. Deref，DerefMut ： 可以用来重载 *操作符，也可以用来 method resolution 以及 deref coercions（解引用转换）

b. Drop： 用于解构，在一个类型的变量被销毁前执行

c. Copy ：如果类型实现了这个Trait，则该类型的值会使用拷贝语义替代移动语义，并避免所有权的变更。一个类型实现Copy有两个前提条件：1、这个类型不能实现Drop；2、这个类型的所有字段都必须为Copy的。

编译器会为以下类型自动实现Copy ，除此之外的类型如果想要impl Copy必须先impl Clone：

• Numeric types
• char，bool 以及 !
• 由Copy类型组成的Tuples
• 由Copy类型组成的Arrays
• Shared references（共享引用/借用）
• Raw pointers（裸指针）

d. Clone：Copy的超集，它也是需要编译器生成implementations，编译器会为以下类型自动实现Clone：

• 内置实现了Copy的类型
• 由Clone类型组成的Tuples
• 由Clone类型组成的Arrays

e. Send：表明一个类型的值是否可以安全的在线程间传递。

f. Sync：表明一个类型的值是否可以安全的在线程间共享。

g. Sized：编译器可确定大小的类型

i. Unsize：编译器无法确定大小的类型

14、Operator Traits

std::cmp中定义的Traits

std::ops中定义的Traits

可以用来重载操作符，slice索引表达式（indexing expressions） 以及 调用表达式（call expressions）

15、Auto traits

Send，Sync，UnwindSafe，RefUnwindSafe

16、消除Trait歧义（Disambiguating overlapping traits）

假设为某一个类型，实现了两个Trait，这两个Trait刚好有同名的method，这个时候如何区分呢？

 trait TraitOne {
     fn action(&self) {
         println!("action of trait one!")
     }
 }
 trait TraitTwo {
     fn action(&self) {
         println!("action of trait two!");
     }
 }
 struct Person {}
 impl TraitOne for Person {}
 impl TraitTwo for Person {}
 fn main() {
     let p = Person {};
     <Person as TraitOne>::action(&p);
     <Person as TraitTwo>::action(&p);
     //如下方式会编译失败
     //p.action();
 }

17、参考资料

Reference：https://doc.rust-lang.org/stable/reference/

rust by example：https://doc.rust-lang.org/stabl