可视化 Rust 的 Vtable：dyn Trait 如何在内存中工作

我正在尝试 Rust，它既令人满意又令人难以置信。到目前为止，我一直在从这本书和马拉博斯的书中学习，但我渴望对自己进行一些解剖。我这些实验的最初目标是将 Rust 的多态性方法与 C++ 的方法进行比较。然而，最终，正如我逐渐意识到的那样，当试图通过另一种语言来理解一种新语言时，试图进行一一对应，这有点陷阱。这看起来似乎有帮助，但归根结底，我们不能将 Rust 视为具有不同语法的 C++。如果真是这样，那就没什么革命性的了。也就是说，我相信探索并理解其中的原因是有好处的。所以，如果你像我一样，需要知道内存中究竟发生了什么，以便让你真正理解这些概念，希望你会发现这篇文章很有用:)顺便说一句，缩略图是一张锈菌的照片，我们把 Rust 的名字归功于它。图片来源：来自英国马尔文 Cradley 的 gailhampshire，CC BY 2.0，来自 Wikimedia Commons。您可以在 GitHub 上找到所有代码和实验。简介：问题的关键我们想要实现的目标非常简单。假设我们有一堆形状：圆形、正方形、三角形，并且我们想对每个形状调用draw()。 C++ 方法#1：虚函数 在 C++ 中，第一个想到的方法是通过虚函数，它利用运行时多态性。 vtable 指针位于对象内部，虚拟调度会自动发生。 std::vectorshapes = { new Circle(), new Square() }; for ( auto * s : 形状 ) s -> 绘制 (); Rust 的等价物是 dyn Trait ，这就是我们最终想要理解的。但首先，让我们看一下在 C++ 中解决这个问题的另一种方法。 C++ 方法#2：CRTP 人们还可以采用 CRTP（奇怪的重复模板模式）路线，这本质上是编译时多态性。如果您感兴趣，Klaus Iglberger 的精彩演讲是我第一次介绍该主题，也是我不断回顾的演讲。 template < typename Derived > struct Shape { void draw () { static_cast < Derived *> ( this ) -> draw (); } } };本质上，没有虚函数表，它在编译时解析，牺牲了可读性（确实很拗口）。 Rust 提供了一个更直接、更简单的 CRTP 等价物，即单态化。这是我们首先要深入研究的方法，以开始构建 Rust 所提供的功能的心理模型。静态调度 照片由 Jiawei Zhao 在 Unsplash 上拍摄 静态调度（也称为泛型）实现了与 CRTP 类似的结果：编译器为调用它的每种类型生成该函数的单独副本。运行时成本为零，但类型必须在编译时已知。特征 Draw { fn draw ( & self ) -> & str ; } 结构体圆；结构体正方形； impl Draw for Circle { fn draw ( & self ) -> & str { "画圆" } } impl Draw for Square { fn draw ( & self ) -> & str { "画正方形" } } fn draw_shape < T : Draw > ( shape : T ) { println! (“{}”,形状.draw()); } fn main () { 让圆 = 圆;让平方=平方；绘制形状（圆）；绘制形状（正方形）；在底层，编译器生成两个独立的函数：draw_shape::和draw_shape::。这与 C++ 的模板相比如何？这里的区别在于哲学。 C++ 使约束变得隐式，模板接受任何恰好具有 .draw() 方法的类型 T。而在 Rust 中，您明确地输入了合同：您“为 Square 实现 Draw 特征”。我的问题是，什么时候这还不够？在解决这个问题之前，让我们先做一个支线任务。支线任务：Rust 的零大小类型 我尝试查看 Circle 和 Square 的大小，因为我想与宽指针进行比较，我们稍后会看到这一点，但这让我发现了一些意想不到的东西。在 C++ 中，标准要求每个对象的大小至少为 1 个字节，即使是空的也是如此。这样两个不同的对象始终具有不同的地址，这意味着 &obj1 必须与 &obj2 不同。这是我心中根深蒂固的自然事实之一，所以看到 rust 返回 0 让我感到非常惊讶。当我探索 Rust 时，这些小时刻给我带来了很多快乐，因为它解构了我的心理模型并帮助我欣赏不同的哲学。打印！ ( " {} " , std::mem::size_of::()); // 0 什么？？？打印！ (“{}”，std::mem::size_of::()); // 0 这就是我发现 Rust 以不同方式处理唯一地址保证的方式。零大小类型（ZST）是不包含任何字段的结构，因此不需要分配任何内存。 Rust 通过所有权而不是地址来跟踪身份。每个值一次只有一个所有者，这是由我们的朋友借用检查器在编译时强制执行的。在 C++ 中，我们可能会这样做