1.15 Trait bounds(Trait 约束)的编译与分派

1.15.1. 静态分发(static dispatch)

编译泛型代码时发生了什么？

编译器会针对每个T（每个类型），都将类型或函数复制一部分（每个类型都有自己的函数），这个过程叫单态化(monomorphization)。详见【Rust指南】10.2.6. 泛型代码的性能。（调用dyn Trait上的方法则不同：那是动态分发，见本文后面部分；详见【Rust指南】17.2.3. trait对象执行的是动态派发。）

当你构建Vec<i32>或HashMap<String, bool>时，编译器会复制它的泛型类型以及所有的实现块。例如Vec<i32>就是把Vec<T>的T替换成i32，对Vec做了一个完整的复制，所有遇到的T都换成i32。

也就是说编译器会把实例的泛型参数使用具体类型替换。需要注意的是，编译器其实并不会做完整的复制粘贴，他只复制你用的代码。

看个例子：

#![allow(unused)]
fn main() {
impl String {
	pub fn contains(&self, p:impl Pattern) -> bool {
		p.is_contained_in(self);
	}
}
}

• 这个例子针对String类型实现了一个contains方法
• contains方法的第二个参数p的trait约束是Pattern。p没有实际类型，只有trait约束，所以p就相当于泛型参数

p在实际使用时可能会是不同的类型。针对不同的类型，该方法都会复制一遍，因为我们需要知道is_contained_in方法的地址，以便进行调用。CPU需要知道在哪跳转和继续执行。

对于任何给定的p，编译器知道那个地址的类型是实现了Pattern trait方法的。不存在一个可给任意类型的通用地址。

PS:我知道你在想Python的动态类型，Python变量本质上是对象的引用，而并非直接存储值。

正是因为如此，编译器需要为每个类型复制一个（方法体），每份都有自己的地址来用来跳转。这就是所谓的静态分配(static dispatch)，因为对于方法的任何给定副本，我们“分派到”的地址都是静态已知的。

• 静态(static) 在编程中通常指编译中已知的事物（或可被视为此的）

1.15.2. 单态化(monomorphization)

单态化(monomorphization)指的是从一个泛型类型到多个非泛型类型的过程。Rust的trait就有这个特点。

当编译器优化完代码后，就好像根本没有泛型。每个实例都是单独优化的，具有了所有的已知类型，所以上文例子里的is_contained_in方法调用的执行效率就如同trait不存在一样，没有任何性能损失。

编译器对涉及的类型完全掌握，（在合适的情况下）甚至可以将它们进行inline实现。

• “对涉及的类型完全掌握”指的是Rust是静态类型的语言，在编译时就能够确定所有变量和函数的类型，不需要在运行时进行类型推导。
• “将它们进行inline实现”指的是将函数的实现直接展开到调用的地方，避免函数调用的开销。

#[inline(always)]
fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

fn main() {
    let x = add(2, 3);  // 可能被编译器优化为 let x = 2 + 3;
}

1.15.3. 单态化的代价

• 所有实例都需要单独编译，编译时间会因它而增加（如果不能优化编译）
• 每个单态化的函数会有自己的一段机器码，让程序更大
• 指令在泛型方法的不同实例间无法共享，CPU的指令缓存效率降低，因为它需要持有相同指令的多个不同副本

1.15.4. 动态分发(dynamic dispatch)

动态分发(dynamic dispatch)使代码可以调用泛型类型上的trait方法，而无需知道具体的类型。

上面的代码例稍作修改即可实现动态分发：

#![allow(unused)]
fn main() {
impl String {
	pub fn contains(&self, p:&impl Pattern) -> bool {
		p.is_contained_in(&*self);
	}
}
}

这个例子中，实现动态分发需要调用者提供两个信息：

• Pattern的地址
• is_contained_in的地址

为什么impl Pattern前要加&?

• 动态分发依赖于trait 对象，而trait对象本质上是一个宽指针（fat pointer，上一篇文章有讲），所以说传入的数据得是一个引用（因为Rust不能确定动态分发类型的内存大小，所以只能用引用）

1.15.5. vtable

实际上，调用者会提供指向一块内存的指针，它叫做虚方法表(virtual method table，简称vtable)。

上例中，它持有该类型中所有的trait方法实现的地址，其中一个就是is_contained_in这个方法的地址。

当代码想要调用提供类型的一个trait方法时，就会从vtable查询is_contained_in方法的实现地址并调用。这就允许我们使用相同的函数体，而不关心调用者想要使用的类型。

每个vtable还包含具体类型的布局和对齐信息(总是需要这些信息配合使用)。

1.15.6. 对象安全(Object-Safe)

类型实现了一个trait和它的vtable的组合就形成了一个trait object(trait对象)。

大部分trait可转为trait object，但不是所有。例如Clone trait就不行(它的clone方法返回self),Extend trait也不行。这些例子就不是对象安全的(object-safe)。

对象安全的具体要求是：

• trait的所有方法都不能是泛型的，也不可以使用self
• trait不可以拥有静态方法，因为无法知道在那个实例上调用的方法

1.15.7. self: Sized

self: Sized意味着self无法用于trait object(因为它是!Sized)。

将self: Sized用在某个trait，就是要求永远不使用动态分发。

我们也可以将self: Sized用在特定方法上，这时当trait通过trait object访问的时候，该方法就不可用了。

当检查trait对象是否安全的时候，使用了where self: Sized的方法就会免除

1.15.8. 动态分发的优缺点

1.15.9. 如何在静态分发和动态分发间选择