Rustのトレイト勉強メモ

概要

Rustのトレイトについて勉強したのでメモ.

読んだもの

• 4.19 トレイト - プログラミング言語Rust 第1版
• 4.22 トレイトオブジェクト - プログラミング言語Rust 第1版
• 19.1 トレイトオブジェクトで異なる型の値を許可する - プログラミング言語Rust 第2版
• 4.31 サイズ不定型 - プログラミング言語Rust 第1版
• RustのSizedとfatポインタ - 簡潔なQ
• 安定化間近！Rustのimpl Traitを今こそ理解する - 簡潔なQ
• RFC2113

トレイト

• ポリモーフィズムの一種で, 部分型多相を実現するもの
  • Javaの継承のポリモーフィズムもこれに該当
• 複数の型に共通する振舞いを抽象化できる
• よくある間違い
  • 🙅 共通のデータ構造に対する抽象化をすることが目的ではない
    • 🙆 共通の振舞いに対する抽象化をすることが目的
    • トレイトでは振舞いを定義できるが, 抽象フィールドに相当するものが定義できない
    • トレイトの命名も「どんなデータ構造を持つのか」ではなく「どんな振舞いを持つのか」を的確に表したもののほうが好ましい?
      • FigureよりもHasAreaのほうが好ましい?
    • structブロックにデータ構造を記述し, implブロックに振舞いの実装を記述するという考え方
  • 🙅 変数の型や配列の要素の型, 型パラメータ, 引数の型, 戻り値の型などにトレイトを指定できない
    • 🙆 主にトレイト境界に指定できる
    • 詳しくは「トレイトオブジェクト」にて説明
• サンプルコード: https://play.rust-lang.org/?gist=a1c734a7db83efa1976e96af37b4b5a9&version=stable&mode=debug

トレイト境界

• コンパイラはそのトレイトを実装する任意の型がそこに現れることを保証する
  • 現れる型が具体的にどのような型かコンパイラは関知しない
  • コンパイラが知っているのは「型がそのトレイトを実装している」ということだけ
  • そのトレイトを実装する型を宣言することで, そこに現れうる型を増やすことができる
    • 後から拡張できるという意味
• サンプルコード: https://play.rust-lang.org/?gist=2c6e47b4bab369bd6036e12584f423b5&version=stable&mode=debug

トレイトの制限

• Rustでは変数の型や配列の要素の型, 型パラメータ, 引数の型, 戻り値の型などにトレイトを指定することができない
  • 🙅 let val: HasArea = Circle {}
  • 🙅 let array: [HasArea; 2] = [Circle {}, Rectangle {}]
  • 🙅 let vec: Vec<HasArea> = vec![Circle {}, Rectangle {}]
  • 🙅 fn get_figure() -> HasArea { Circle {} }
  • これらがコンパイルエラーとなるのは, 変数宣言や引数の型, 型パラメータ, 戻り値の型に Sized トレイトを実装する型が要求されているため
    • 参考: RustのSizedとfatポインタ - 簡潔なQ
    • 型のサイズが分かっていないとコンパイラがデータを格納する領域の大きさを確定できないので当然といえば当然
  • トレイトが指定できるのはトレイト境界を要求するところ (ジェネリック関数/ジェネリック構造体)
    • 🙆 fn calc_area<T: HasArea>(figure: T) -> f64 { figure.area() }
    • 🙆 struct Canvas<T: HasArea> { figures: Vec<T> }
    • 参考: トレイト
  • トレイト境界にトレイトを使用したジェネリック関数やジェネリック構造体は静的ディスパッチにより特殊化される
    • 参考: トレイトオブジェクト
    • 特殊化されることで型のサイズが確定する
• では, Vec<HasArea> などを実現したい場合はどうすれば良いか
  1. enum を使う
     • サンプルコード: https://play.rust-lang.org/?gist=1e497a09e2b01a56391ae5439e4d6c56&version=stable&mode=debug
     • 問題点
       • 共通の振舞いを定義できない
       • match 式などを利用しないと中身を取り出せない
       • enum のヴァリアントを後から追加することができない (拡張性がない)
  2. トレイトオブジェクトを使う
     • サンプルコード
       • https://play.rust-lang.org/?gist=01876f08fb191d66e7c479a99c9dff4b&version=stable&mode=debug
       • https://play.rust-lang.org/?gist=486c93daf833e0abd18bb39c133750ae&version=stable&mode=debug
     • 問題点
       • トレイトオブジェクトは仮想関数テーブルを用いた動的ディスパッチが行われるので実行時にコストがかかる

トレイトオブジェクト

• 動的ディスパッチを実現する機能
• fat pointerの一種
• std::rawモジュールにトレイトオブジェクトを表す構造体が定義されている
  • 参考: raw.rs.html -- source
  • TraitObjectは暗黙にSizedを実装しているので変数の型などに指定できる
  • x86-64環境では16byte
• Box<T> or &T or &mut Tを使うことでコンパイラによりトレイトオブジェクトとして特別扱いされる
• Box<T>と&Tの違い
  • Box<T>はヒープ上にあるT型のデータへのポインタ (pointer) を持つデータを, &Tは (ヒープ上やスタック上などのあらゆる場所にある) T型のデータへの参照 (reference) を表す
    • 注: &Box<T>は参照だが, Box<T>は参照ではない
  • &Tは参照なので, Rustの所有権システムに関する借用のルールが適用される
• 仮想関数テーブルを用いた動的ディスパッチが行われる
  • 参考: トレイトオブジェクト
• 例外的に本来使用できないところにトレイトを使用できる場合もある
• 例: Box<T>のTは型パラメータであるがトレイトを指定できる
  • この理由はBox構造体の実装を見ると分かる
  • 参考: https://doc.rust-lang.org/1.17.0/src/alloc/boxed.rs.html#108
  • トレイト境界がT: ?Sizedとなっており, T型がSizedトレイトを実装していることを要求していない
  • よってTにトレイトを指定できる
• トレイトオブジェクトにできるトレイトの条件は「そのトレイトがオブジェクト安全であること」
  • 詳細は「オブジェクト安全」にて
• 参考: トレイトオブジェクト
• サンプルコード: https://play.rust-lang.org/?gist=057fb336f09229c8cad5b86e5c9aa665&version=stable&mode=debug

オブジェクト安全

• トレイトがオブジェクト安全であることの条件
  1. トレイトがSelf: Sizedを要求しないこと
     • トレイトが取りうるサイズが不定という条件に違反する
     • そもそもトレイトはSizedを実装していないので当然といえば当然
  2. トレイトのメソッド全てがオブジェクト安全であること
• メソッドがオブジェクト安全であることの条件
  1. どのような型パラメータも持ってはならない
     • 型パラメータを持つとそのメソッドを特殊化しなければならないが, トレイトオブジェクトに対して特殊化することは難しそうだし, 納得できる
  2. Selfを使ってはならない
• 参考: トレイトオブジェクト

dyn Trait

• ある型がトレイトオブジェクトであることを明示するために導入された新記法
• Box<Sized>とBox<Trait>でどちらがトレイトオブジェクトでそうでないかひと目で区別できないという問題を解決する
  • 例: Box<Trait>をBox<dyn Trait>に置き換える
• まだ安定化されていない機能
  • 参考: RFC2113
• 対応表

従来記法	新記法
Box<Trait>	Box<dyn Trait>
&Trait	&dyn Trait
&mut Trait	&mut dyn Trait

impl Trait

• トレイトで静的ディスパッチを行うために導入された新機能
  • 勿論上記で述べたように型のサイズが確定しないと静的ディスパッチは行えないので, 制約が多い機能となる
  • サイズが確定するところまではコンパイラが頑張って静的ディスパッチしてくれる
• 参考: 安定化間近！Rustのimpl Traitを今こそ理解する - 簡潔なQ
• サンプルコード: https://play.rust-lang.org/?gist=d2eaa515a10bbdd46300b41a569ace74&version=stable&mode=debug