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impl Trait 的使用

Rust 通过 RFC conservative impl trait 增加了新的语法 impl Trait，它被用在函数返回值的位置上，表示返回的类型将实现这个 Trait。随后的 RFC expanding impl Trait 更进一步，允许 impl Trait 用在函数参数的位置，表示由调用者决定参数的具体类型，其实就等价于函数的泛型参数。

impl Trait 作为函数参数

根据  RFC on expanding impl Trait， impl Trait 可以用在函数参数中，作用是作为函数的匿名泛型参数。

Expand impl Trait to allow use in arguments, where it behaves like an anonymous generic parameter.

也就是说，impl Trait 作为函数参数，和泛型参数是等价的：

// These two are equivalent
fn map<U>(self, f: impl FnOnce(T) -> U) -> Option<U>
fn map<U, F>(self, f: F) -> Option<U> where F: FnOnce(T) -> U

不过，impl Trait和泛型参数有一个不同的地方，impl Trait 作为参数，不能明确指定它的类型：

fn foo<T: Trait>(t: T)
fn bar(t: impl Trait)

foo::<u32>(0) // this is allowed
bar::<u32>(0) // this is not

除了这个差别，可以认为impl Trait 作为函数参数，和使用泛型参数是等价的。

impl Trait 作为函数返回值

impl Trait 作为函数的返回值，表示返回的类型将实现这个 Trait。

fn foo(n: u32) -> impl Iterator<Item = u32> {
    (0..n).map(|x| x * 100)
}
fn main() {
    for x in foo(10) {
        println!("{}", x);
    }
}

在这种情况下，需要注意函数的所有返回路径必须返回完全相同的具体类型。

// 编译错误，即使这两个类型都实现了Bar
fn f(a: bool) -> impl Bar {
    if a {
        Foo { ... }
    } else {
        Baz { ... }
    }
}

可以把函数返回值位置的 impl Trait 替换为泛型吗？

// 不能编译
fn bar<T: Iterator<Item = u32>>(n: u32) -> T {
    (0..n).map(|x| x * 100)
}

编译器给的错误信息是，期待返回值的类型是泛型类型 T，却实际却返回了一个具体类型。编译器很智能的给出了使用 impl Iterator<Item = u32>作为返回类型的建议：

 --> src/main.rs:6:5
  |
5 | fn bar<T: Iterator<Item = u32>>(n: u32) -> T {
  |        -                                   -
  |        |                                   |
  |        |                                   expected `T` because of return type
  |        this type parameter                 help: consider using an impl return type: `impl Iterator<Item = u32>`
6 |     (0..n).map(|x| x * 100)
  |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ expected type parameter `T`, found struct `Map`
  |
  = note: expected type parameter `T`
                     found struct `Map<std::ops::Range<u32>, [closure@src/main.rs:6:16: 6:27]>`

Universals vs. Existentials

在 RFC on expanding impl Trait 中使用了两个术语，Universal 和 Existential：

  • Universal quantification, i.e. "for any type T", i.e. "caller chooses". This is how generics work today. When you write fn foo<T>(t: T), you're saying that the function will work for any choice of T, and leaving it to your caller to choose the T.
  • Existential quantification, i.e. "for some type T", i.e. "callee chooses". This is how impl Trait works today (which is in return position only). When you write fn foo() -> impl Iterator, you're saying that the function will produce some type T that implements Iterator, but the caller is not allowed to assume anything else about that type.

简单来说：

  • impl Trait 用在参数位置是 universal type，也就是泛型类型，它可以是任意类型，由函数的调用者指定具体的类型。

  • impl Trait 用在返回值位置是 existential type，它不能是任意类型，而是由函数的实现者指定，一个实现了 Trait 的具体类型。调用者不能对这个类型做任何假设。

也就是说，impl Trait 用在返回位置不是泛型，编译时不需要单态化，抽象类型可以简单地替换为调用代码中的具体类型。

在 Trait 中使用 impl Trait

Rust 目前还不支持在 Trait 里使用 impl Trait 做返回值：

trait Foo {
    // ERROR: `impl Trait` not allowed outside of function and inherent
    // method return types
    fn foo(&self) -> impl Iterator<Item=u8>;
}

因为 impl Trait 用在返回值位置是 existential type，意味着这个函数将返回一个实现了这个 Trait 的单一类型，而函数定义在 Trait 中，意味着每个实现了 Trait 的类型，都可以让这个函数返回不同类型，对编译器来说这很难处理，因为它需要知道被返回类型的具体大小。

一个简单的解决方法是让函数返回 trait object：

trait Foo {
    fn foo(&self) -> Box<dyn Iterator<Item=u8>>;
}

带有 trait object 的函数不是泛型函数，它只带有单一类型，这个类型就是 trait object 类型。Trait object 本身被实现为胖指针，其中，一个指针指向数据本身，另一个则指向虚函数表（vtable）。

这样定义在 Trait 中的函数，返回的不再是泛型，而是一个单一的 trait object 类型，大小固定（两个指针大小），编译器可以处理。