Rust中的三种多态性——Trait的两种方式(中)

0x01 回顾与开篇

多态性(Polymorphism)在很多语言中都存在,比如Java/C#等。有了编程语言的多态性会使我们在工作中更加灵活和方便。当然,Rust也有多态性的特点。在Rust中有三种主要方法来实现多态,我们的目的就是讨论每种方法的优缺点。上一篇文章讲了Rust多态的两种实现,分别是Enum和Trait。其实,Rust也 为我们提供了一个有趣的选择,让我们在如何使用Trait方面做出一个选择。

0x02 泛型Trait

废话不多说,直接上代码。

trait Shape {
    fn perimeter(&self) -> f32;
    fn area(&self) -> f32;
}

// 打印面积
fn print_area<S: Shape>(shape: S) {
    println!("{}", shape.area());
}

// 打印周长
fn print_perimeters<S: Shape>(shapes: Vec<S>) { 
    for shape in shapes.iter() {
        println!("{}", shape.perimeter());
    }
}

其实从代码不难看出,这就是其它语言的泛型Trait可用于约束泛型函数(或泛型结构体)中的类型参数。说白了"S必须是一个实现Shape"的结构体,这样,才能使我们能够在相关代码中调用Trait的方法。

像枚举一样,泛型为我们提供了良好的局部性,因为数据的大小在编译时是已知的。但是,又与枚举不同,我们不能在同一通用代码中使用不同的变体。

main方法示例代码如下:

fn main() {
    let rectangle = Rectangle { width: 1.0, height: 2.0 };
    let circle = Circle { radius: 1.0 };

    print_area(rectangle); // 正确
    print_area(circle); // 正确

    print_perimeters(vec![ rectangle, circle ]); // 错误!!!
}

原因是在Vec中,需要一个具体的类型,可以是Vec<Circle>或者是Vec<Rectangle>,在一个Vec中不能同时存在两种类型。并且,我们也不能使用Vec<Shape>来约束,因为Shape在内存中没有固定的大小,可以把它当做是一份合约。

0x03 动态分配的Trait

还是直接上代码。

trait Shape {
    fn perimeter(&self) -> f32;
    fn area(&self) -> f32;
}

// 打印面积
fn print_area(shape: &dyn Shape) {
    println!("{}", shape.area());
}

// 打印周长
fn print_perimeters(shapes: Vec<&dyn Shape>) {
    for shape in shapes.iter() {
        println!("{}", shape.perimeter());
    }
}

在Rust语法中,假设存在一个结构体——People和一个Trait——Animal,那么&People是对结构体People的一个引用。&dyn Animal就是对实现Animal这个Trait的引用。虽然Trait在内存中没有固定的大小,但是指针是有固定大小的,无论这个指针指向的是什么数据。因此,我们就可以使用指针来重新定义上面的方法了。

main方法示例代码如下:

fn main() {
    let rectangle = Rectangle { width: 1.0, height: 2.0 };
    let circle = Circle { radius: 1.0 };

    print_area(&rectangle); // 正确
    print_area(&circle); // 正确
    
    // 下面的写法这也是正确的哦!!!
    print_perimeters(vec![&rectangle, &circle]); 
}

这样做的优点就是可以混合数据类型,所有的类型都是指针,真正的数据都是由指针指向的。并且指针具有集合可用于分配内存的已知大小。缺点其实也是显而易见的,失去了缓存局部性。所有的数据都是由指针指向的,计算机需要通过指针才能定位到数据,这有可能会产生性能问题。

0x04 小结

本篇文章着重介绍了Trait的两种使用方法。其实这里还要注意一点:动态调度需要通过查表来查找所需的方法。通常,编译器会提前知道方法代码的确切内存位置,并且对该地址进行硬编码。但是如果使用了动态调度,那么它将无法提前知道它是那种数据类型,因此当代码在实际运行时,需要做一些额外的工作来确定它的数据类型并查找方法所在的位置。如果某个结构体拥有一个仅知道其Trait的值,尽可能的将其放入Box中进行堆分配,分配内存和释放内存可能要付出高昂的代价。

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