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## 为使用不同类型的值而设计的 trait 对象

> [ch17-02-trait-objects.md](https://github.com/rust-lang/book/blob/master/second-edition/src/ch17-02-trait-objects.md)
> <br>
> commit 67876e3ef5323ce9d394f3ea6b08cb3d173d9ba9

 在第八章中，我们谈到了 vector 只能存储同种类型元素的局限。在列表 8-1 中有一个例子，其中定义了一个拥有分别存放整型、浮点型和文本型成员的枚举类型 `SpreadsheetCell`，使用这个枚举的 vector 可以在每一个单元格（cell）中储存不同类型的数据，并使得 vector 整体仍然代表一行（row）单元格。这当编译代码时就知道希望可以交替使用的类型为固定集合的情况下是可行的。

<!-- The code example I want to reference did not have a listing number; it's
the one with SpreadsheetCell. I will go back and add Listing 8-1 next time I
get Chapter 8 for editing. /Carol -->

有时，我们希望使用的类型的集合对于使用库的程序员来说是可扩展的。例如，很多图形用户接口（GUI）工具有一个项目列表的概念，它通过遍历列表并调用每一个项目的 `draw` 方法来将其绘制到屏幕上。我们将要创建一个叫做 `rust_gui` 的库 crate，它含一个 GUI 库的结构。这个 GUI 库包含一些可供开发者使用的类型，比如 `Button` 或 `TextField`。使用 `rust_gui` 的程序员会想要创建更多可以绘制在屏幕上的类型：其中一些可能会增加一个 `Image`，而另一些可能会增加一个 `SelectBox`。本章节并不准备实现一个功能完善的 GUI 库，不过会展示其中各个部分是如何结合在一起的。

编写 `rust_gui` 库时，我们并不知道其他程序员想要创建的全部类型，所以无法定义一个 `enum` 来包含所有这些类型。我们所要做的是使 `rust_gui` 能够记录一系列不同类型的值，并能够对其中每一个值调用 `draw` 方法。 GUI 库不需要知道当调用 `draw` 方法时具体会发生什么，只需提供这些值可供调用的方法即可。

在拥有继承的语言中，我们可能定义一个名为 `Component` 的类，该类上有一个 `draw` 方法。其他的类比如 `Button`、`Image` 和 `SelectBox` 会从 `Component` 派生并因此继承 `draw` 方法。它们各自都可以覆盖 `draw` 方法来定义自己的行为，但是框架会把所有这些类型当作是 `Component` 的实例，并在其上调用 `draw`。

### 定义通用行为的 trait

不过，在 Rust 中，我们可以定义一个 `Draw` trait，包含名为 `draw` 的方法。接着可以定义一个存放**trait 对象**（*trait
object*）的 vector，trait 对象是一个位于某些指针，比如 `&` 引用或 `Box<T>` 智能指针，之后的 trait。第十九章会讲到为何 trait 对象必须位于指针之后的原因。

之前提到过，我们并不将结构体与枚举称之为“对象”，以便与其他语言中的对象相区别。结构体与枚举和 `impl` 块中的行为是分开的，不同于其他语言中将数据和行为组合进一个称为对象的概念中。trait 对象将由指向具体对象的指针构成的数据和定义于 trait 中方法的行为结合在一起，从这种意义上说它**则**更类似其他语言中的对象。不过 trait 对象与其他语言中的对象是不同的，因为不能向 trait 对象增加数据。trait 对象并不像其他语言中的对象那么通用：他们（trait 对象）的作用是允许对通用行为的抽象。

trait 对象定义了在给定情况下所需的行为。接着就可以在要使用具体类型或泛型的地方使用 trait 来作为 trait 对象。Rust 的类型系统会确保任何我们替换为 trait 对象的值都会实现了 trait 的方法。这样就无需在编译时就知道所有可能的类型，就能够用同样的方法处理所有的实例。列表 17-3 展示了如何定义一个带有 `draw` 方法的 trait `Draw`：

<span class="filename">文件名: src/lib.rs</span>

```rust
pub trait Draw {
    fn draw(&self);
}
```

<span class="caption">列表 17-3:`Draw` trait 的定义</span>

<!-- NEXT PARAGRAPH WRAPPED WEIRD INTENTIONALLY SEE #199 -->



因为第十章已经讨论过如何定义 trait，这看起来应该比较眼熟。接下来就是新内容了：列表 17-4 有一个名为 `Screen` 的结构体定义，它存放了一个叫做 `components` 的 `Box<Draw>` 类型的 vector 。`Box<Draw>` 是一个 trait 对象：它是 `Box` 中任何实现了 `Draw` trait 的类型的替身。

<span class="filename">文件名: src/lib.rs</span>

```rust
# pub trait Draw {
#     fn draw(&self);
# }
#
pub struct Screen {
    pub components: Vec<Box<Draw>>,
}
```

<span class="caption">列表 17-4: 一个 `Screen` 结构体的定义，它带有一个字段`components`，其包含实现了 `Draw` trait 的 trait 对象的 vector</span>

在 `Screen` 结构体上，我们将定义一个 `run` 方法，该方法会对其 `components` 上的每一个元素调用 `draw` 方法，如列表 17-5 所示：

<span class="filename">文件名: src/lib.rs</span>

```rust
# pub trait Draw {
#     fn draw(&self);
# }
#
# pub struct Screen {
#     pub components: Vec<Box<Draw>>,
# }
#
impl Screen {
    pub fn run(&self) {
        for component in self.components.iter() {
            component.draw();
        }
    }
}
```

<span class="caption">列表 17-5:在 `Screen` 上实现一个 `run` 方法，该方法在每个 component 上调用 `draw` 方法</span>

这与定义使用了带有 trait bound 的泛型类型参数的结构体不同。泛型类型参数一次只能替代一个具体的类型，而 trait 对象则允许在运行时替代多种具体类型。例如，可以像列表 17-6 那样定义使用泛型和 trait bound 的结构体 `Screen`：

<span class="filename">文件名: src/lib.rs</span>

```rust
# pub trait Draw {
#     fn draw(&self);
# }
#
pub struct Screen<T: Draw> {
    pub components: Vec<T>,
}

impl<T> Screen<T>
    where T: Draw {
    pub fn run(&self) {
        for component in self.components.iter() {
            component.draw();
        }
    }
}
```

<span class="caption">列表 17-6: 一种 `Screen` 结构体的替代实现，它的 `run` 方法使用泛型和 trait bound</span>

这只允许我们拥有一个包含全是 `Button` 类型或者全是 `TextField` 类型的 component 列表的 `Screen` 实例。如果只拥有相同类型的集合，那么使用泛型和 trait bound 是更好的，因为在编译时使用具体类型其定义是单态（monomorphized）的。

相反对于存放了 `Vec<Box<Draw>>` trait 对象的 component 列表的 `Screen` 定义，一个 `Screen` 实例可以存放一个既可以包含 `Box<Button>`，也可以包含 `Box<TextField>` 的 `Vec`。让我们看看它是如何工作的，接着会讲到其运行时性能影响。

### 来自我们或者库使用者的 trait 实现

现在来增加一些实现了 `Draw` trait 的类型。我们将提供 `Button` 类型，再一次重申，真正实现 GUI 库超出了本书的范畴，所以 `draw` 方法体中不会有任何有意义的实现。为了想象一下这个实现看起来像什么，一个 `Button` 结构体可能会拥有 `width`、`height`和`label`字段，如列表 17-7 所示：

<span class="filename">文件名: src/lib.rs</span>

```rust
# pub trait Draw {
#     fn draw(&self);
# }
#
pub struct Button {
    pub width: u32,
    pub height: u32,
    pub label: String,
}

impl Draw for Button {
    fn draw(&self) {
        // Code to actually draw a button
    }
}
```

<span class="caption">列表 17-7: 一个实现了`Draw` trait 的 `Button` 结构体</span>

在 `Button` 上的 `width`、`height` 和 `label` 字段会和其他组件不同，比如 `TextField` 可能有 `width`、`height`、`label` 以及 `placeholder` 字段。每一个我们希望能在屏幕上绘制的类型都会使用不同的代码来实现 `Draw` trait 的 `draw` 方法，来定义如何绘制像这里的 `Button` 类型（并不包含任何实际的 GUI 代码，这超出了本章的范畴）。除了实现 `Draw` trait 之外，`Button` 还可能有另一个包含按钮点击如何响应的方法的 `impl` 块。这类方法并不适用于像 `TextField` 这样的类型。

一些库的使用者决定实现一个包含 `width`、`height`和`options` 字段的结构体 `SelectBox`。并也为其实现了 `Draw` trait，如列表 17-8 所示：

<span class="filename">文件名: src/main.rs</span>

```rust
extern crate rust_gui;
use rust_gui::Draw;

struct SelectBox {
    width: u32,
    height: u32,
    options: Vec<String>,
}

impl Draw for SelectBox {
    fn draw(&self) {
        // Code to actually draw a select box
    }
}
```

<span class="caption">列表 17-8: 在另一个使用 `rust_gui` 的 crate 中，在 `SelectBox` 结构体上实现 `Draw` trait</span>

库使用者现在可以在他们的 `main` 函数中创建一个 `Screen` 实例，并通过将 `SelectBox` 和 `Button` 放入 `Box<T>` 转变为 trait 对象来将它们放入屏幕实例。接着可以调用 `Screen` 的 `run` 方法，它会调用每个组件的 `draw` 方法。列表 17-9 展示了这个实现：

<span class="filename">文件名: src/main.rs</span>

```rust
use rust_gui::{Screen, Button};

fn main() {
    let screen = Screen {
        components: vec![
            Box::new(SelectBox {
                width: 75,
                height: 10,
                options: vec![
                    String::from("Yes"),
                    String::from("Maybe"),
                    String::from("No")
                ],
            }),
            Box::new(Button {
                width: 50,
                height: 10,
                label: String::from("OK"),
            }),
        ],
    };

    screen.run();
}
```

<span class="caption">列表 17-9: 使用 trait 对象来存储实现了相同 trait 的不同类型的值</span>

即使我们不知道何时何人会增加 `SelectBox` 类型，`Screen` 的实现能够操作`SelectBox` 并绘制它，因为 `SelectBox` 实现了 `Draw` trait，这意味着它实现了 `draw` 方法。

只关心值所反映的信息而不是值的具体类型，这类似于动态类型语言中称为**鸭子类型**（*duck typing*）的概念：如果它走起来像一只鸭子，叫起来像一只鸭子，那么它就是一只鸭子！在列表 17-5 中 `Screen` 上的 `run` 实现中，`run` 并不需要知道各个组件的具体类型是什么。它并不检查组件实例是 `Button` 或者是`SelectBox`，它只是调用组件上的 `draw` 方法。通过指定 `Box<Draw>` 作为 `components` vector 中值的类型，我们就定义了 `Screen` 需要可以在其上调用 `draw` 方法的值。

使用 trait 对象和 Rust 类型系统来使用鸭子类型的优势是无需在运行时检查一个值是否实现了特定方法或者担心在调用时因为值没有实现方法而产生错误。如果值没有实现 trait 对象所需的 trait 则 Rust 不会编译这些代码。

例如，列表 17-10 展示了当创建一个使用 `String` 做为其组件的 `Screen` 时发生的情况：

<span class="filename">文件名: src/main.rs</span>

```rust
extern crate rust_gui;
use rust_gui::Draw;

fn main() {
    let screen = Screen {
        components: vec![
            Box::new(String::from("Hi")),
        ],
    };

    screen.run();
}
```

<span class="caption">列表 17-10: 尝试使用一种没有实现 trait 对象的 trait 的类型</span>

我们会遇到这个错误，因为 `String` 没有实现 `Draw` trait：

```
error[E0277]: the trait bound `std::string::String: Draw` is not satisfied
  -->
   |
 4 |             Box::new(String::from("Hi")),
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `Draw` is not
   implemented for `std::string::String`
   |
   = note: required for the cast to the object type `Draw`
```

这告诉了我们，要么是我们传递了并不希望传递给 `Screen` 的类型并应该提供其他类型，要么应该在 `String` 上实现 `Draw` 以便 `Screen` 可以调用其上的 `draw`。

### trait 对象执行动态分发

回忆一下第十章我们讨论过的，当我们在泛型上使用 trait 约束时，编译器按单态类型处理：在需要使用范型参数的地方，编译器为每个具体类型生成非泛型的函数和方法实现。单态类型处理产生的代码实际就是做 *static dispatch*：方法的代码在编译阶段就已经决定了，当调用时，寻找那段代码非常快速。

当我们使用 trait 对象，编译器不能按单态类型处理，因为无法知道使用代码的所有可能类型。而是调用方法的时候，Rust 跟踪可能被使用的代码，在运行时找出调用该方法时应使用的代码。这也是我们熟知的 *dynamic dispatch*，查找过程会产生运行时开销。动态分发也会阻止编译器内联函数，失去一些优化途径。尽管获得了额外的灵活性，但仍然需要权衡取舍。

### Trait 对象需要对象安全

<!-- Liz: we're conflicted on including this section. Not being able to use a
trait as a trait object because of object safety is something that
beginner/intermediate Rust developers run into sometimes, but explaining it
fully is long and complicated. Should we just cut this whole section? Leave it
(and finish the explanation of how to fix the error at the end)? Shorten it to
a quick caveat, that just says something like "Some traits can't be trait
objects. Clone is an example of one. You'll get errors that will let you know
if a trait can't be a trait object, look up object safety if you're interested
in the details"? Thanks! /Carol -->

不是所有的 trait 都可以被放进 trait 对象中; 只有*对象安全的*（*object safe*）trait 才可以这样做. 一个 trait 只有同时满足如下两点时才被认为是对象安全的:

* 该 trait 要求 `Self` 不是 `Sized`;
* 该 trait 的所有方法都是对象安全的;

`Self` 是一个类型的别名关键字，它表示当前正被实现的 trait 类型或者是方法所属的类型. `Sized`是一个像在第十六章中介绍的`Send`和`Sync`那样的标记 trait, 在编译时它会自动被放进大小确定的类型里，比如`i32`和引用. 大小不确定的类型有 slice（`[T]`）和 trait 对象.

`Sized` 是一个默认会被绑定到所有常规类型参数的内隐 trait. Rust 中要求一个类型是`Sized`的最具可用性的用法是让`Sized`成为一个默认的 trait 绑定，这样我们就可以在大多数的常规的用法中不去写 `T: Sized` 了. 如果我们想在切片（slice）中使用一个 trait, 我们需要取消对`Sized`的 trait 绑定, 我们只需制定`T: ?Sized`作为 trait 绑定.

默认绑定到 `Self: ?Sized` 的 trait 可以被实现到是 `Sized` 或非 `Sized` 的类型上. 如果我们创建一个不绑定 `Self: ?Sized` 的 trait `Foo`，它看上去应该像这样: 

```rust
trait Foo: Sized {
    fn some_method(&self);
}
```

Trait `Sized`现在就是 trait `Foo`的一个*超级 trait*（*supertrait*）, 也就是说 trait `Foo` 需要实现了 `Foo` 的类型(即`Self`)是`Sized`. 我们将在第十九章中更详细的介绍超 trait（supertrait）.

像`Foo`那样要求`Self`是`Sized`的 trait 不允许成为 trait 对象的原因是不可能为 trait 对象`Foo`实现 trait `Foo`: trait 对象是无确定大小的，但是 `Foo` 要求 `Self` 是 `Sized`. 一个类型不可能同时既是有大小的又是无确定大小的.

第二点说对象安全要求一个 trait 的所有方法必须是对象安全的. 一个对象安全的方法满足下列条件:

* 它要求 `Self` 是 `Sized` 或者
* 它符合下面全部三点:
    * 它不包含任意类型的常规参数
    * 它的第一个参数必须是类型 `Self` 或一个引用到 `Self` 的类型(也就是说它必须是一个方法而非关联函数并且以 `self`、`&self` 或 `&mut self` 作为第一个参数)
    * 除了第一个参数外它不能在其它地方用 `Self` 作为方法的参数签名

虽然这些规则有一点形式化, 但是换个角度想一下: 如果你的方法在它的参数签名的其它地方也需要具体的 `Self` 类型参数, 但是一个对象又忘记了它的具体类型是什么, 这时该方法就无法使用被它忘记的原先的具体类型. 当该 trait 被使用时, 被具体类型参数填充的常规类型参数也是如此: 这个具体的类型就成了实现该 trait 的类型的某一部分, 如果使用一个 trait 对象时这个类型被抹掉了, 就没有办法知道该用什么类型来填充这个常规类型参数.

一个 trait 的方法不是对象安全的一个例子是标准库中的 `Clone` trait. `Clone` trait 的 `clone` 方法的参数签名是这样的:

```rust
pub trait Clone {
    fn clone(&self) -> Self;
}
```

`String` 实现了 `Clone` trait, 当我们在一个 `String` 实例上调用 `clone` 方法时, 我们会得到一个 `String` 实例. 同样地, 如果我们在一个 `Vec` 实例上调用 `clone` 方法, 我们会得到一个 `Vec` 实例. `clone` 的参数签名需要知道 `Self` 是什么类型, 因为它需要返回这个类型.

如果我们像列表 17-3 中列出的 `Draw` trait 那样的 trait 上实现 `Clone`, 我们就不知道 `Self` 将会是一个 `Button`, 一个 `SelectBox`, 或者是其它的在将来要实现 `Draw` trait 的类型.

如果你做了违反 trait 对象的对象安全性规则的事情, 编译器将会告诉你. 比如, 如果你实现在列表 17-4 中列出的 `Screen` 结构, 你想让该结构像这样持有实现了 `Clone` trait 的类型而不是 `Draw` trait:

```rust
pub struct Screen {
    pub components: Vec<Box<Clone>>,
}
```

我们将会得到下面的错误:

```text
error[E0038]: the trait `std::clone::Clone` cannot be made into an object
 -->
  |
2 |     pub components: Vec<Box<Clone>>,
  |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `std::clone::Clone` cannot be
  made into an object
  |
  = note: the trait cannot require that `Self : Sized`
```

<!-- If we are including this section, we would explain how to fix this
problem. It involves adding another trait and implementing Clone manually for
that trait. Because this section is getting long, I stopped because it feels
like we're off in the weeds with an esoteric detail that not everyone will need
to know about. /Carol -->