Використання трейт-об'єктів, які допускають значення різних типів
У розділі 8 ми казали, що одним з обмежень векторів є те, що вони можуть зберігати елементи тільки одного типу. Ми обійшли цю проблему в Роздруку 8-9, де ми визначили енум SpreadsheetCell який мав варіанти для зберігання цілих чисел, чисел з рухомою комою й тексту. Це означало, що ми мали змогу зберігати різні типи даних в кожній комірці та все одно мати вектор, який представляє рядок комірок. Це дуже гарне рішення коли наші взаємозамінні елементи є типами з фіксованим набором, відомим на етапі компіляції.
Проте іноді ми хочемо, щоб користувач нашої бібліотеки зміг розширити набір типів, які є допустимими в конкретній ситуації. Щоб показати, як ми можемо досягти цього, ми створимо приклад інструменту з графічним інтерфейсом користувача (GUI), який ітерує список елементів, викликаючи метод draw на кожному з них, щоб намалювати його на екрані — це поширена техніка для GUI інструментів. Ми створимо бібліотечний крейт gui, який містить структуру бібліотеки GUI. Цей крейт може містити деякі готові до використання типи, наприклад тип Button чи TextField. Крім того, користувачі крейту gui можуть захотіти створити свої власні типи, які можуть бути намальовані: наприклад, один програміст може додати тип Image, а інший - SelectBox.
Ми не будемо реалізовувати повноцінну GUI бібліотеку для цього прикладу, але покажемо як її частини будуть поєднуватися. Коли ми пишемо бібліотеку, ми не можемо знати та визначити всі типи, які можуть захотіти створити інші програмісти. Але ми знаємо що gui повинен відстежувати багато значень різного типу та викликати метод draw кожного з цих по-різному типізованому значень. Крейт не повинен знати, що станеться, коли ми викличемо метод draw, просто у значення буде доступний для виклику такий метод.
Для того, щоб зробити це на мові, в якій є наслідування, ми можемо визначити клас під назвою Component, який має метод draw. Інші класи, такі як Button, Image, та SelectBox, можуть успадкуватися від Component й таким чином успадкувати метод draw. Кожен з них може перевизначити реалізацію методу draw, щоб описати власну поведінку, але фреймворк може розглядати всі типи ніби вони є екземпляром Component та міг би викликати їх метод draw. Але, оскільки Rust не має механізму успадкування, нам потрібен інший спосіб структурувати gui бібліотеку, щоб дозволити користувачам розширювати її новими типами.
Визначення трейту для загальної поведінки
Для реалізації поведінки, яку ми хочемо мати в gui, визначимо трейт під назвою Draw, який буде містити один метод draw. Тоді ми можемо визначити вектор, який приймає трейт-об'єкт. Трейт-об'єкт вказує як на екземпляр типу, що реалізує вказаний нами трейт, так і на внутрішню таблицю, що використовується для пошуку методів трейту вказаного типу під час виконання. Ми створюємо трейт-об'єкт в такому порядку: використовуємо якийсь вид вказівнику, наприклад посилання & або розумний вказівник Box<T>, потім ключове слово dyn й відповідний трейт. (Ми будемо говорити чому трейт-об'єкти повинні використовувати вказівник у Розділі 19 в секції “Dynamically Sized Types and the Sized Trait.”) Ми можемо використовувати трейт-об'єкт замість узагальненого або конкретного типу. Де б ми не використовували трейт-об'єкт, система типів Rust забезпечить, що під час компіляції будь-яке значення використане у цьому контексті буде реалізовувати трейт трейт-об'єкту. Отже, ми не повинні знати всі можливі типи під час компіляції.
Ми нагадували, що в Rust ми не називаємо структури та енуми "об'єктами", щоб розрізняти їх з об'єктами в інших мовах програмування. У структурі або енумі, дані в полях структури та поведінка в блоку impl розділені, тоді як в інших мовах вони об'єднанні в один концепт, який часто називають об'єкт. Однак, трейт-об'єкти є більше схожими на об'єкти в інших мовах, в тому сенсі що вони об'єднують дані та поведінку. Але трейт-об'єкти відрізняються від традиційних об'єктів у том, що ми не можемо додати дані до трейт-об'єкту. Трейт-об'єкти загалом не настільки корисні як об'єкти в інших мовах програмування: їх конкретна ціль - забезпечити абстракцію через загальну поведінку.
Блок коду 17-3 показує, як визначити трейт під назвою Draw з одним методом draw:
Файл: src/lib.rs
pub trait Draw {
fn draw(&self);
}
Блок коду 17-3: Визначення трейту Draw
Цей синтаксис має бути знайомим після наших дискусій про те, як визначати трейти в розділі 10. Далі йде новий синтаксис: у Роздруку 17-4 визначена структура під назвою Screen, яка містить вектор з ім'ям components. Цей вектор має тип Box<dyn Draw>, який і є трейт-об'єктом; це позначення будь-якого типу всередині Box, який реалізує трейт Draw.
Файл: src/lib.rs
pub trait Draw {
fn draw(&self);
}
pub struct Screen {
pub components: Vec<Box<dyn Draw>>,
}
Блок коду 17-4: Визначення структури Screen з полем components, яке є вектором трейт-об'єктів, що реалізують трейт Draw
У структурі Screen ми визначено метод під назвою run, який буде викликати метод draw кожного елементу вектора components, як показано у Блоці коду 17-5:
Файл: src/lib.rs
pub trait Draw {
fn draw(&self);
}
pub struct Screen {
pub components: Vec<Box<dyn Draw>>,
}
impl Screen {
pub fn run(&self) {
for component in self.components.iter() {
component.draw();
}
}
}
Блок коду 17-5: Метод run в структурі Screen, який викликає метод draw кожного компоненту
Це працює інакше ніж визначення структури, яка використовує параметр узагальненого типу з обмеженнями трейтів. Узагальнений параметр типу може бути замінений тільки одним конкретним типом, тоді як трейт-об'єкти дозволяють декільком конкретним типам бути на його місці під час виконання. Наприклад, визначимо структуру Screen використовуючи узагальнені типи та обмеження трейту в Блоці коду 17-6:
Файл: src/lib.rs
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();
}
}
}
Блок коду 17-6: Альтернативна реалізація структури Screen та її методу run за допомогою узагальнених типів та обмежень трейту
Це обмежує екземпляр Screen до одного з двох можливих варіантів: наповнений лише компонентами типу Button, або лише компонентами типу TextField. Якщо у вас коли-небудь будуть тільки однорідні колекції, використання узагальнених типів та обмежень трейту краще, оскільки визначення будуть мономорфізованими під час компіляції для використання з конкретними типами.
З іншого боку, за допомогою методу, який використовує трейт-об'єкт, один екземпляр Screen може містити Vec<T>, який містить Box<Button>, так само як і Box<TextField>. Нумо подивімось як це працює, а потім поговоримо про вплив на швидкодію під час виконання.
Реалізація трейту
Тепер ми додамо деякі типи, які реалізуються трейт Draw. Запровадимо тип Button. Знову ж таки, фактична реалізація бібліотеки GUI виходить за межі цієї книги, тому тіло методу draw не буде мати ніякої корисної реалізації. Щоб уявити, як може виглядати така реалізація, структура Button може мати поля для width, height, та label, як показано в Роздруку 17-7:
Файл: src/lib.rs
pub trait Draw {
fn draw(&self);
}
pub struct Screen {
pub components: Vec<Box<dyn Draw>>,
}
impl Screen {
pub fn run(&self) {
for component in self.components.iter() {
component.draw();
}
}
}
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
}
}
Блок коду 17-7: Структура Button, яка реалізує трейт Draw
Поля width, height, та label структури Button будуть відрізнятися від полів інших компонентів; наприклад, тип TextField міг би мати такі самі поля плюс поле placeholder. Кожен тип, який ми хочемо намалювати на екрані, буде реалізовувати трейт Draw, але буде мати інший код методу draw для визначення того, як саме малювати конкретний тип, наприклад Button в цьому прикладі (без фактичного коду GUI, який виходить за межі цього розділу). Наприклад, тип Button може мати додаткові блоки impl, що містять методи, які визначають що станеться, коли користувач натисне на кнопку. Такі методи не застосовуватимуться до таких типів, як TextField.
Якщо користувач нашої бібліотеки вирішить реалізувати структуру SelectBox, яка має width, height, та options поля, він реалізує також і трейт Draw для структури SelectBox, як показано в Роздруку 17-8:
Файл: src/lib.rs
use 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
}
}
fn main() {}
Блок коду 17-8: Інший крейт використовує gui та реалізує трейт Draw для структури SelectBox
Тепер користувач нашої бібліотеки може написати свою main функцію, щоб створити екземпляр Screen. До екземпляра Screen, він може додати SelectBox та Button, розмістивши кожен з них у Box<T>, щоб він став трейт-об'єктом. Потім він може викликати метод run в екземпляра Screen, який викличе метод draw для кожного компонента. Роздрук 17-9 показує цю реалізацію:
Файл: src/lib.rs
use 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
}
}
use gui::{Button, Screen};
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();
}
Блок коду 17-9: Використання трейт-об'єктів для зберігання значень різних типів, які реалізують той самий трейт
Коли ми писали бібліотеку, ми не знали, що хтось може додати тип SelectBox, але наша реалізація Screen мала змогу працювати з новим типом та малювати його, тому що SelectBox реалізує трейт Draw, що означає, що він реалізує метод draw.
Ця концепція, яка стосується тільки повідомлень на які значення відповідає, на відміну від конкретного типу в значення, аналогічна концепції duck typing (качкової типізації) у динамічно типізованих мовах: якщо хтось ходить як качка та крякає як качка, то він - качка! У реалізації методу run структури Screen в Роздруку 17-5, run не повинен знати конкретний тип кожного компонента. Він не перевіряє чи є компонент екземпляром Button чи SelectBox, він просто викликає метод draw компоненту. Вказавши Box<dyn Draw> як тип значень у вектору components, ми визначили Screen для значень у яких ми можемо викликати метод draw.
Перевага використання трейт-об'єктів і системи типів Rust для написання коду подібного до коду з використанням качкової типізації полягає в тому, що нам ніколи не потрібно перевіряти, чи реалізує значення певний метод під час виконання або турбуватися про отримання помилок якщо значення не реалізує метод. Rust не буде компілювати наш код, якщо значення не реалізують трейт потрібного трейт-об'єкту.
Наприклад, Блок коду 17-10 показує, що станеться, якщо ми спробуємо створити Screen з String як компонент:
Файл: src/lib.rs
use gui::Screen;
fn main() {
let screen = Screen {
components: vec![Box::new(String::from("Hi"))],
};
screen.run();
}
Роздрук 17-10: Спроба використати тип, який не реалізує трейт трейт-об'єкту
Ми отримаємо помилку, тому що String не реалізує трейт Draw:
$ cargo run
Compiling gui v0.1.0 (file:///projects/gui)
error[E0277]: the trait bound `String: Draw` is not satisfied
--> src/main.rs:5:26
|
5 | components: vec![Box::new(String::from("Hi"))],
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ the trait `Draw` is not implemented for `String`
|
= note: required for the cast to the object type `dyn Draw`
For more information about this error, try `rustc --explain E0277`.
error: could not compile `gui` due to previous error
Ця помилка дає зрозуміти, що або ми передаємо в компонент Screen щось, що ми не збиралися передавати, і тоді ми повинні передати інший тип, або ми повинні реалізувати трейт Draw у типу String, щоб Screen міг викликати draw у нього.
Трейт-об'єкти виконують динамічну диспетчеризацію (зв'язування)
Нагадаємо, у секції “Швидкодія коду з узагальненими типами” розділу 10 обговорюється процес мономорфізації, який виконується компілятором, коли ми використовуємо обмеження трейтів для узагальнених типів: компілятор генерує конкретні типи, які ми використовуємо замість параметра узагальненого типу. Код, отриманий в результаті мономорфізації, виконує статичну диспетчеризацію, коли компілятор знає який метод ви викликаєте під час компіляції. Це протилежний підхід до динамічної диспетчеризації, коли компілятор не може сказати під час компіляції, який метод ви викликаєте. У випадках динамічної диспетчеризації компілятор генерує код, який під час виконання визначає, який метод необхідно викликати.
Коли ми використовуємо трейт-об'єкти, Rust має використовувати динамічну диспетчеризацію. Компілятор не знає всі типи, які можуть бути використані з кодом, який використовує трейт-об'єкти, тому він не знає, який метод реалізований для якого типу при виклику. Замість цього, під час виконання, Rust використовує вказівники всередині трейт-об'єкту, щоб дізнатися який метод викликати. Такий пошук провокує додаткові витрати під час виконання, які не потребуються під час статичної диспетчеризації. Динамічна диспетчеризація також не дозволяє компілятору обрати вбудовування коду метода, що робить неможливим деякі оптимізації. Однак, ми отримали додаткову гнучкість у коді, який ми написали у Роздруку 17-5, і змогли підтримати у Роздруку 17-9, так що це - компроміс для розгляду. ch10-01-syntax.html#performance-of-code-using-generics