oop - 为什么 Rust 不支持 trait 对象向上转换？

Question

鉴于此代码:

trait Base {
    fn a(&self);
    fn b(&self);
    fn c(&self);
    fn d(&self);
}

trait Derived : Base {
    fn e(&self);
    fn f(&self);
    fn g(&self);
}

struct S;

impl Derived for S {
    fn e(&self) {}
    fn f(&self) {}
    fn g(&self) {}
}

impl Base for S {
    fn a(&self) {}
    fn b(&self) {}
    fn c(&self) {}
    fn d(&self) {}
}

不幸的是，我不能投 &Derived至 &Base :

fn example(v: &Derived) {
    v as &Base;
}

error[E0605]: non-primitive cast: `&Derived` as `&Base`
  --> src/main.rs:30:5
   |
30 |     v as &Base;
   |     ^^^^^^^^^^
   |
   = note: an `as` expression can only be used to convert between primitive types. Consider using the `From` trait

这是为什么？ Derived vtable 必须引用 Base以一种或另一种方式的方法。

检查 LLVM IR 会发现以下内容:

@vtable4 = internal unnamed_addr constant {
    void (i8*)*,
    i64,
    i64,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*
} {
    void (i8*)* @_ZN2i813glue_drop.98717h857b3af62872ffacE,
    i64 0,
    i64 1,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1a20h57ba36716de00921jbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1b20h3d50ba92e362d050pbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1c20h794e6e72e0a45cc2vbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1d20hda31e564669a8cdaBbaE
}

@vtable26 = internal unnamed_addr constant {
    void (i8*)*,
    i64,
    i64,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*,
    void (%struct.S*)*
} {
    void (i8*)* @_ZN2i813glue_drop.98717h857b3af62872ffacE,
    i64 0,
    i64 1,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1e20h9992ddd0854253d1WaaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1f20h849d0c78b0615f092aaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN9S.Derived1g20hae95d0f1a38ed23b8aaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1a20h57ba36716de00921jbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1b20h3d50ba92e362d050pbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1c20h794e6e72e0a45cc2vbaE,
    void (%struct.S*)* @_ZN6S.Base1d20hda31e564669a8cdaBbaE
}

所有 Rust 虚表在第一个字段中包含指向析构函数、大小和对齐方式的指针，并且子特征虚表在引用超特征方法时不会复制它们，也不会使用对超特征虚表的间接引用。他们只是逐字复制方法指针，没有别的。

鉴于这种设计，很容易理解为什么这不起作用。需要在运行时构建一个新的 vtable，它可能驻留在堆栈上，这并不是一个优雅(或最佳)的解决方案。

当然，有一些解决方法，比如向接口(interface)添加显式向上转换方法，但这需要相当多的样板文件(或宏狂热)才能正常工作。

现在，问题是 - 为什么不以某种方式实现特征对象向上转换？比如，在 subtrait 的 vtable 中添加一个指向 supertrait 的 vtable 的指针。目前，Rust 的动态调度似乎不满足 Liskov substitution principle ，这是面向对象设计的一个非常基本的原则。

当然你可以使用静态调度，这在 Rust 中使用确实非常优雅，但它很容易导致代码膨胀，这有时比计算性能更重要——比如在嵌入式系统上，Rust 开发人员声称支持这样的用例语言。此外，在许多情况下，您可以成功地使用非纯面向对象的模型，这似乎受到 Rust 的函数式设计的鼓励。尽管如此，Rust 仍然支持许多有用的 OO 模式……那为什么不支持 LSP 呢？

有谁知道这种设计的基本原理？

Answer 1

其实，我想我明白了原因。我找到了一种优雅的方法来为任何需要它的特征添加向上转换的支持，这样程序员就可以选择是否将额外的 vtable 条目添加到特征中，或者不喜欢，这是一个类似的权衡C++ 的虚拟与非虚拟方法:优雅和模型正确性与性能。

代码可以如下实现:

trait Base: AsBase {
    // ...
}

trait AsBase {
    fn as_base(&self) -> &Base;
}

impl<T: Base> AsBase for T {
    fn as_base(&self) -> &Base {
        self
    }
}

可以添加其他方法来类型转换 &mut指针或 Box (这增加了 T 必须是 'static 类型的要求)，但这是一个普遍的想法。这允许安全和简单(尽管不是隐式)向上转换每个派生类型，而无需为每个派生类型提供样板。