【完整】Rust 标准库 Trait 指南

译者： Praying

• 原文标题：Tour of Rust’s Standard Library Traits
• 原文链接：https://github.com/pretzelhammer/rust-blog/blob/master/posts/tour-of-rusts-standard-library-traits.md
• 说明： 可能网络中也存在其他翻译，但本篇是由 Praying 独立翻译完成的。

内容目录

• 引言
• Trait 基础
• 自动 Trait
• 泛型 Trait
• 格式化 Trait
• 操作符 Trait
• 转换 Trait
• 错误处理
• 迭代器 Trait
• I/O Trait
• 总结

引言

你是否曾想过下面这些 trait 有什么不同？

• Deref<Traget=T>，AsRef<T>，以及Borrow<T>？
• Clone，Copy，和ToOwned？
• From<T> 和Into<T>?
• TryFrom<&str> 和FromStr？
• FnOnce，FnMut，Fn和fn?

或者你曾问过自己下面这些问题：

• “我在 trait 中，什么时候使用关联类型（associated type），什么时候使用泛型（generic types）？”
• “什么是泛型覆盖实现（generic blanket impls）”?
• “subtrait 和 supertrait 是如何工作的？”
• “为什么这个 trait 没有任何方法？”

那么这篇文章就是为你而写的！它回答了包括但不限于上述所有的问题。我们将一起对 Rust 标准库中所有最流行和最常用的 trait 进行快速的浏览。

你可以按章节顺序阅读本文，也可以跳到你最感兴趣的 trait，因为每个 trait 章节的开头都有一个指向前置章节的链接列表，你应该阅读这些链接，以便有足够的背景知识来理解当前章节的解释（译注：很抱歉，译文中暂时无法提供链接跳转）。

Triat 基础

我们将会覆盖足够多的基础知识，这样文章的其余部分就可以精简，而不必因为它们在不同的 trait 中反复出现而重复解释相同的概念。

Trait 项（Item）

Trait 项是指包含于 trait 声明中的任意项。

Self

Self总是指代实现类型。

trait Trait {
    // always returns i32
    fn returns_num() -> i32;
    // returns implementing type
    fn returns_self() -> Self;
}
struct SomeType;
struct OtherType;
impl Trait for SomeType {
    fn returns_num() -> i32 {
        5
    }
    // Self == SomeType
    fn returns_self() -> Self {
        SomeType
    }
}
impl Trait for OtherType {
    fn returns_num() -> i32 {
        6
    }
    // Self == OtherType
    fn returns_self() -> Self {
        OtherType
    }
}

函数（Function）

Trait 函数是指第一个参数不是self关键字的任意函数。

trait Default {
    // function
    fn default() -> Self;
}

Trait 函数可以通过 trait 或者实现类型的命名空间来调用。

fn main() {
    let zero: i32 = Default::default();
    let zero = i32::default();
}

方法（Method）

Trait 方法是指，第一个参数使用了self关键字并且self的类型是Self,&Self，&mut Self之一。self的类型也可以被Box，Rc，Arc或Pin来包装。

trait Trait {
    // methods
    fn takes_self(self);
    fn takes_immut_self(&self);
    fn takes_mut_self(&mut self);
    // above methods desugared
    fn takes_self(self: Self);
    fn takes_immut_self(self: &Self);
    fn takes_mut_self(self: &mut Self);
}
// example from standard library
trait ToString {
    fn to_string(&self) -> String;
}

Trait 方法可以通过在实现类型上使用点（.）操作符来调用。

fn main() {
    let five = 5.to_string();
}

此外，trait 方法还可以像函数那样由 trait 或者实现类型通过命名空间来调用。

fn main() {
    let five = ToString::to_string(&5);
    let five = i32::to_string(&5);
}

关联类型（Associated Types）

Trait 可以有关联类型。当我们需要在函数签名中使用Self以外的某个类型，但是希望这个类型可以由实现者来选择而不是硬编码到 trait 声明中，这时关联类型就可以发挥作用了。

trait Trait {
    type AssociatedType;
    fn func(arg: Self::AssociatedType);
}
struct SomeType;
struct OtherType;
// any type implementing Trait can
// choose the type of AssociatedType
impl Trait for SomeType {
    type AssociatedType = i8; // chooses i8
    fn func(arg: Self::AssociatedType) {}
}
impl Trait for OtherType {
    type AssociatedType = u8; // chooses u8
    fn func(arg: Self::AssociatedType) {}
}
fn main() {
    SomeType::func(-1_i8); // can only call func with i8 on SomeType
    OtherType::func(1_u8); // can only call func with u8 on OtherType
}

泛型参数（Generic Parameters）

“泛型参数”泛指泛型类型参数（generic type parameters）、泛型生命周期参数（generic lifetime parameters）、以及泛型常量参数（generic const parameters）。因为这些说起来比较拗口，所以人们通常把它们简称为 “泛型类型（generic type）”、“生命周期（lifetime）”和 “泛型常量（generic const）”。由于我们将要讨论的所有标准库 trait 中都没有使用泛型常量，所以它们不在本文的讨论范围之内。

我们可以使用参数来对一个 trait 声明进行泛化（generalize ）。

// trait declaration generalized with lifetime & type parameters
trait Trait<'a, T> {
    // signature uses generic type
    fn func1(arg: T);
    // signature uses lifetime
    fn func2(arg: &'a i32);
    // signature uses generic type & lifetime
    fn func3(arg: &'a T);
}
struct SomeType;
impl<'a> Trait<'a, i8> for SomeType {
    fn func1(arg: i8) {}
    fn func2(arg: &'a i32) {}
    fn func3(arg: &'a i8) {}
}
impl<'b> Trait<'b, u8> for SomeType {
    fn func1(arg: u8) {}
    fn func2(arg: &'b i32) {}
    fn func3(arg: &'b u8) {}
}

泛型可以具有默认值，最常用的默认值是Self，但是任何类型都可以作为默认值。

// make T = Self by default
trait Trait<T = Self> {
    fn func(t: T) {}
}
// any type can be used as the default
trait Trait2<T = i32> {
    fn func2(t: T) {}
}
struct SomeType;
// omitting the generic type will
// cause the impl to use the default
// value, which is Self here
impl Trait for SomeType {
    fn func(t: SomeType) {}
}
// default value here is i32
impl Trait2 for SomeType {
    fn func2(t: i32) {}
}
// the default is overridable as we'd expect
impl Trait<String> for SomeType {
    fn func(t: String) {}
}
// overridable here too
impl Trait2<String> for SomeType {
    fn func2(t: String) {}
}

除了可以对 trait 进行参数化之外，我们还可以对单个函数和方法进行参数化。

trait Trait {
    fn func<'a, T>(t: &'a T);
}

泛型类型 vs 关联类型

泛型类型和关联类型都把在 trait 的函数和方法中使用哪种具体类型的决定权交给了实现者，因此这部分内容要去解释什么时候使用泛型类型，什么时候使用关联类型。

通常的经验法则是：

• 当每个类型只应该有 trait 的一个实现时，使用关联类型。
• 当每个类型可能会有 trait 的多个实现时，使用泛型类型。

比如说我们想要定义一个名为Add的 trait，该 trait 允许我们对值进行相加。下面是一个最初的设计和实现，里面只使用了关联类型。

trait Add {
    type Rhs;
    type Output;
    fn add(self, rhs: Self::Rhs) -> Self::Output;
}
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Add for Point {
    type Rhs = Point;
    type Output = Point;
    fn add(self, rhs: Point) -> Point {
        Point {
            x: self.x + rhs.x,
            y: self.y + rhs.y,
        }
    }
}
fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 2 };
    let p3 = p1.add(p2);
    assert_eq!(p3.x, 3);
    assert_eq!(p3.y, 3);
}

假设现在我们想要添加这样一种功能：把i32加到Point上，其中Point里面的成员x和y都会加上i32。

trait Add {
    type Rhs;
    type Output;
    fn add(self, rhs: Self::Rhs) -> Self::Output;
}
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Add for Point {
    type Rhs = Point;
    type Output = Point;
    fn add(self, rhs: Point) -> Point {
        Point {
            x: self.x + rhs.x,
            y: self.y + rhs.y,
        }
    }
}
impl Add for Point { // ❌
    type Rhs = i32;
    type Output = Point;
    fn add(self, rhs: i32) -> Point {
        Point {
            x: self.x + rhs,
            y: self.y + rhs,
        }
    }
}
fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 2 };
    let p3 = p1.add(p2);
    assert_eq!(p3.x, 3);
    assert_eq!(p3.y, 3);
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let int2 = 2;
    let p3 = p1.add(int2); // ❌
    assert_eq!(p3.x, 3);
    assert_eq!(p3.y, 3);
}

上面的代码会抛出错误：

error[E0119]: conflicting implementations of trait `Add` for type `Point`:
  --> src/main.rs:23:1
   |
12 | impl Add for Point {
   | ------------------ first implementation here
...
23 | impl Add for Point {
   | ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ conflicting implementation for `Point`

因为Add trait 没有被任何的泛型类型参数化，我们只能在每个类型上实现这个 trait 一次，这意味着，我们只能一次把Rhs和Output类型都选取好！为了能够使Point和i32类型都能和Point相加，我们必须把Rhs从一个关联类型重构为泛型类型，这样就能够让我们根据Rhs不同的类型参数来为Point实现 trait 多次。

trait Add<Rhs> {
    type Output;
    fn add(self, rhs: Rhs) -> Self::Output;
}
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Add<Point> for Point {
    type Output = Self;
    fn add(self, rhs: Point) -> Self::Output {
        Point {
            x: self.x + rhs.x,
            y: self.y + rhs.y,
        }
    }
}
impl Add<i32> for Point { // ✅
    type Output = Self;
    fn add(self, rhs: i32) -> Self::Output {
        Point {
            x: self.x + rhs,
            y: self.y + rhs,
        }
    }
}
fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 2 };
    let p3 = p1.add(p2);
    assert_eq!(p3.x, 3);
    assert_eq!(p3.y, 3);
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let int2 = 2;
    let p3 = p1.add(int2); // ✅
    assert_eq!(p3.x, 3);
    assert_eq!(p3.y, 3);
}

假如说我们增加了一个名为Line的新类型，它包含两个Point，现在，在我们的程序中存在这样一种上下文环境，即将两个Point相加之后应该产生一个Line而不是另一个Point。这在当我们当前的Add trait 设计中是不可行的，因为Output是一个关联类型，但是我们通过把Output从关联类型重构为泛型类型来实现这个新需求。

trait Add<Rhs, Output> {
    fn add(self, rhs: Rhs) -> Output;
}
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Add<Point, Point> for Point {
    fn add(self, rhs: Point) -> Point {
        Point {
            x: self.x + rhs.x,
            y: self.y + rhs.y,
        }
    }
}
impl Add<i32, Point> for Point {
    fn add(self, rhs: i32) -> Point {
        Point {
            x: self.x + rhs,
            y: self.y + rhs,
        }
    }
}
struct Line {
    start: Point,
    end: Point,
}
impl Add<Point, Line> for Point { // ✅
    fn add(self, rhs: Point) -> Line {
        Line {
            start: self,
            end: rhs,
        }
    }
}
fn main() {
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 2 };
    let p3: Point = p1.add(p2);
    assert!(p3.x == 3 && p3.y == 3);
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let int2 = 2;
    let p3 = p1.add(int2);
    assert!(p3.x == 3 && p3.y == 3);
    let p1 = Point { x: 1, y: 1 };
    let p2 = Point { x: 2, y: 2 };
    let l: Line = p1.add(p2); // ✅
    assert!(l.start.x == 1 && l.start.y == 1 && l.end.x == 2 && l.end.y == 2)
}

所以，哪个Add trait 是最好的呢？这取决于你程序中的需求！放在合适的场景中，它们都很好。

作用域（Scope）

只有当 trait 在作用域之中时，trait 项才能被使用。大多数 Rustaceans 在第一次尝试写一个 I/O 相关的程序时，都会在吃过一番苦头之后了解到这一点，因为Read和Write的 trait 并不在标准库的预置（prelude）中。

use std::fs::File;
use std::io;
fn main() -> Result<(), io::Error> {
    let mut file = File::open("Cargo.toml")?;
    let mut buffer = String::new();
    file.read_to_string(&mut buffer)?; // ❌ read_to_string not found in File
    Ok(())
}

read_to_string(buf: &mut String)声明于std::io::Read中并且被std::fs::File结构体实现，但是要想调用它，std::io::Read必须在当前作用域中。

use std::fs::File;
use std::io;
use std::io::Read; // ✅
fn main() -> Result<(), io::Error> {
    let mut file = File::open("Cargo.toml")?;
    let mut buffer = String::new();
    file.read_to_string(&mut buffer)?; // ✅
    Ok(())
}

标准库预置（The standard library prelude）是标准库中的一个模块，也就是说，std::prelude::v1，它在每个其他模块的顶部被自动导入，即use std::prelude::v1::*。这样的话，下面这些 trait 就总会在作用域中，我们不需要自己显式地导入它们，因为它们是预置的一部分。

• AsMut
• AsRef
• Clone
• Copy
• Default
• Drop
• Eq
• Fn
• FnMut
• FnOnce
• From
• Into
• ToOwned
• IntoIterator
• Iterator
• PartialEq
• PartialOrd
• Send
• Sized
• Sync
• ToString
• Ord

派生宏（Derive Macros）

标准库导出了一小部分派生宏，这么派生宏可以让我们可以便捷地在一个类型上实现 trait，前提是该类型的所有成员都实现了这个 trait。派生宏以它们所实现的 trait 来命名。

• Clone
• Copy
• Debug
• Default
• Eq
• Hash
• Ord
• PartialEq
• PartialOrd

使用示例：

// macro derives Copy & Clone impl for SomeType
#[derive(Copy, Clone)]
struct SomeType;

注意：派生宏也是过程宏（procedural macros），它们可以被用来做任何事情，没有强制规定它们必须要实现一个 trait，或者它们只能在所有成员都实现 trait 的情况下才能工作，这些只是标准库中派生宏所遵循的惯例。

默认实现（Default Impls）

Trait 可以为它们的函数和方法提供默认实现。

trait Trait {
    fn method(&self) {
        println!("default impl");
    }
}
struct SomeType;
struct OtherType;
// use default impl for Trait::method
impl Trait for SomeType {}
impl Trait for OtherType {
    // use our own impl for Trait::method
    fn method(&self) {
        println!("OtherType impl");
    }
}
fn main() {
    SomeType.method(); // prints "default impl"
    OtherType.method(); // prints "OtherType impl"
}

如果 trait 中的某些方法是完全通过 trait 的另一些方法来实现的，这就非常方便了。

trait Greet {
    fn greet(&self, name: &str) -> String;
    fn greet_loudly(&self, name: &str) -> String {
        self.greet(name) + "!"
    }
}
struct Hello;
struct Hola;
impl Greet for Hello {
    fn greet(&self, name: &str) -> String {
        format!("Hello {}", name)
    }
    // use default impl for greet_loudly
}
impl Greet for Hola {
    fn greet(&self, name: &str) -> String {
        format!("Hola {}", name)
    }
    // override default impl
    fn greet_loudly(&self, name: &str) -> String {
        let mut greeting = self.greet(name);
        greeting.insert_str(0, "¡");
        greeting + "!"
    }
}
fn main() {
    println!("{}", Hello.greet("John")); // prints "Hello John"
    println!("{}", Hello.greet_loudly("John")); // prints "Hello John!"
    println!("{}", Hola.greet("John")); // prints "Hola John"
    println!("{}", Hola.greet_loudly("John")); // prints "¡Hola John!"
}

标准库中的很多 trait 为很多它们的方法提供了默认实现。

泛型覆盖实现（Generic Blanket Impls）

泛型覆盖实现是一种在泛型类型而不是具体类型上的实现，为了解释为什么以及如何使用它，让我们从为整数类型实现一个is_even方法开始。

trait Even {
    fn is_even(self) -> bool;
}
impl Even for i8 {
    fn is_even(self) -> bool {
        self % 2_i8 == 0_i8
    }
}
impl Even for u8 {
    fn is_even(self) -> bool {
        self % 2_u8 == 0_u8
    }
}
impl Even for i16 {
    fn is_even(self) -> bool {
        self % 2_i16 == 0_i16
    }
}
// etc
#[test] // ✅
fn test_is_even() {
    assert!(2_i8.is_even());
    assert!(4_u8.is_even());
    assert!(6_i16.is_even());
    // etc
}

很明显，上面的实现十分啰嗦。而且，所有我们的实现几乎都是一样的。此外，如果 Rust 决定在未来增加更多的整数类型，我们必须回到这段代码中，用新的整数类型来更新它。我们可以通过使用泛型覆盖实现来解决所有的问题。

use std::fmt::Debug;
use std::convert::TryInto;
use std::ops::Rem;
trait Even {
    fn is_even(self) -> bool;
}
// generic blanket impl
impl<T> Even for T
where
    T: Rem<Output = T> + PartialEq<T> + Sized,
    u8: TryInto<T>,
    <u8 as TryInto<T>>::Error: Debug,
{
    fn is_even(self) -> bool {
        // these unwraps will never panic
        self % 2.try_into().unwrap() == 0.try_into().unwrap()
    }
}
#[test] // ✅
fn test_is_even() {
    assert!(2_i8.is_even());
    assert!(4_u8.is_even());
    assert!(6_i16.is_even());
    // etc
}

不同于默认实现，泛型覆盖实现提供了方法的实现，所以它们不能被重写。

use std::fmt::Debug;
use std::convert::TryInto;
use std::ops::Rem;
trait Even {
    fn is_even(self) -> bool;
}
impl<T> Even for T
where
    T: Rem<Output = T> + PartialEq<T> + Sized,
    u8: TryInto<T>,
    <u8 as TryInto<T>>::Error: Debug,
{
    fn is_even(self) -> bool {
        self % 2.try_into().unwrap() == 0.try_into().unwrap()
    }
}
impl Even for u8 { // ❌
    fn is_even(self) -> bool {
        self % 2_u8 == 0_u8
    }
}

上面的代码会抛出下面的错误：

error[E0119]: conflicting implementations of trait `Even` for type `u8`:
  --> src/lib.rs:22:1
   |
10 | / impl<T> Even for T
11 | | where
12 | |     T: Rem<Output = T> + PartialEq<T> + Sized,
13 | |     u8: TryInto<T>,
...  |
19 | |     }
20 | | }
   | |_- first implementation here
21 |
22 |   impl Even for u8 {
   |   ^^^^^^^^^^^^^^^^ conflicting implementation for `u8`

这些实现有重叠，因此它们是冲突的，所以 Rust 拒绝编译这段代码以确保 trait 的一致性。trait 一致性是指，对于任意给定的类型，最多存在某一 trait 的一个实现。Rust 用来强制执行特质一致性的规则，这些规则的含义，以及针对这些含义的变通方案都不在本文的讨论范围之内。

Subtraits & Supertraits

subtrait中的sub指的是子集（subset)，supertrait中的super指的是超集（superset）。如果我们有下面这个 trait 声明：

trait Subtrait: Supertrait {}

所有实现了Subtrait的类型是所有实现了Supertrait的类型的子集，或者反过来讲：所有实现了Supertrait的类型是所有实现了Subtrait类型的子集。而且，上面的代码是一种语法糖，展开来应该是：

trait Subtrait where Self: Supertrait {}

这是一个微妙而重要的区别，要明白约束在Self上，也就是实现Subtrait的类型而非Subtrait自身。后者也没有意义，因为 trait 约束只能作用于能够实现 trait 的具体类型，trait 本身不能实现其他的 trait：

trait Supertrait {
    fn method(&self) {
        println!("in supertrait");
    }
}
trait Subtrait: Supertrait {
    // this looks like it might impl or
    // override Supertrait::method but it
    // does not
    fn method(&self) {
        println!("in subtrait")
    }
}
struct SomeType;
// adds Supertrait::method to SomeType
impl Supertrait for SomeType {}
// adds Subtrait::method to SomeType
impl Subtrait for SomeType {}
// both methods exist on SomeType simultaneously
// neither overriding or shadowing the other
fn main() {
    SomeType.method(); // ❌ ambiguous method call
    // must disambiguate using fully-qualified syntax
    <SomeType as Supertrait>::method(&st); // ✅ prints "in supertrait"
    <SomeType as Subtrait>::method(&st); // ✅ prints "in subtrait"
}

此外，对于一个类型如何同时实现一个 subtrait 和一个 supertrait，也没有明确的规则。它可以在另一个类型的实现中实现其他的方法。

trait Supertrait {
    fn super_method(&mut self);
}
trait Subtrait: Supertrait {
    fn sub_method(&mut self);
}
struct CallSuperFromSub;
impl Supertrait for CallSuperFromSub {
    fn super_method(&mut self) {
        println!("in super");
    }
}
impl Subtrait for CallSuperFromSub {
    fn sub_method(&mut self) {
        println!("in sub");
        self.super_method();
    }
}
struct CallSubFromSuper;
impl Supertrait for CallSubFromSuper {
    fn super_method(&mut self) {
        println!("in super");
        self.sub_method();
    }
}
impl Subtrait for CallSubFromSuper {
    fn sub_method(&mut self) {
        println!("in sub");
    }
}
struct CallEachOther(bool);
impl Supertrait for CallEachOther {
    fn super_method(&mut self) {
        println!("in super");
        if self.0 {
            self.0 = false;
            self.sub_method();
        }
    }
}
impl Subtrait for CallEachOther {
    fn sub_method(&mut self) {
        println!("in sub");
        if self.0 {
            self.0 = false;
            self.super_method();
        }
    }
}
fn main() {
    CallSuperFromSub.super_method(); // prints "in super"
    CallSuperFromSub.sub_method(); // prints "in sub", "in super"
    CallSubFromSuper.super_method(); // prints "in super", "in sub"
    CallSubFromSuper.sub_method(); // prints "in sub"
    CallEachOther(true).super_method(); // prints "in super", "in sub"
    CallEachOther(true).sub_method(); // prints "in sub", "in super"
}

希望上面的例子能够表达出，subtrait 和 supertrait 之间可以是很复杂的关系。在介绍能够将这些复杂性进行整洁封装的心智模型之前，让我们快速回顾并建立我们用来理解泛型类型上的 trait 约束的心智模型。

fn function<T: Clone>(t: T) {
    // impl
}

在不知道这个函数的实现的情况下，我们可以合理地猜测，t.clone()会在某个时候被调用，因为当一个泛型类型被一个 trait 所约束时，意味着它对 trait 有依赖性。泛型与 trait 约束之间关系的心智模型是一个简单而直观的模型：泛型依赖于 trait 约束。

现在让我们看看Copy的 trait 声明：

trait Copy: Clone {}

上面的语法看起来与在一个泛型类型上应用 trait 约束很相似，但是Copy完全不依赖于Clone。之前的模型在这里没有帮助。个人认为，理解 subtrait 和 supertrait 最为简洁优雅的心智模型是：subtrait 细化（refine）了它们的 supertrait。

“细化（Refinement）”刻意保持一定的模糊性，因为它们在不同的上下文环境中会有不同的含义：

• subtrait 可能会使得 supertrait 的方法实现更为具体，快速，占用更少的内存，例如，Copy:Clone；
• subtrait 可能会对 supertrait 的方法实现增加额外的保证，例如：Eq: PartialEq,Ord: PartialOrd,ExactSizeIterator: Iterator;
• subtrait 可能会使得 supertrait 的方法更为灵活和易于调用，例如：FnMut: FnOnce,Fn: FnMut;
• subtrait 可能会扩展 supertrait 并添加新的方法，例如：DoubleEndedIterator: Iterator,ExactSizeIterator: Iterator。

Trait 对象

泛型给我们提供了编译期多态，而 trait 对象给我们提供了运行时多态。我们可以使用 trait 对象来让函数在运行时动态地返回不同的类型。

fn example(condition: bool, vec: Vec<i32>) -> Box<dyn Iterator<Item = i32>> {
    let iter = vec.into_iter();
    if condition {
        // Has type:
        // Box<Map<IntoIter<i32>, Fn(i32) -> i32>>
        // But is cast to:
        // Box<dyn Iterator<Item = i32>>
        Box::new(iter.map(|n| n * 2))
    } else {
        // Has type:
        // Box<Filter<IntoIter<i32>, Fn(&i32) -> bool>>
        // But is cast to:
        // Box<dyn Iterator<Item = i32>>
        Box::new(iter.filter(|&n| n >= 2))
    }
}

Trait 对象还允许我们在集合中存储多种类型：

use std::f64::consts::PI;
struct Circle {
    radius: f64,
}
struct Square {
    side: f64
}
trait Shape {
    fn area(&self) -> f64;
}
impl Shape for Circle {
    fn area(&self) -> f64 {
        PI * self.radius * self.radius
    }
}
impl Shape for Square {
    fn area(&self) -> f64 {
        self.side * self.side
    }
}
fn get_total_area(shapes: Vec<Box<dyn Shape>>) -> f64 {
    shapes.into_iter().map(|s| s.area()).sum()
}
fn example() {
    let shapes: Vec<Box<dyn Shape>> = vec![
        Box::new(Circle { radius: 1.0 }), // Box<Circle> cast to Box<dyn Shape>
        Box::new(Square { side: 1.0 }), // Box<Square> cast to Box<dyn Shape>
    ];
    assert_eq!(PI + 1.0, get_total_area(shapes)); // ✅
}

Trait 对象是没有大小的，所以它们必须总是在一个指针后面。我们可以根据类型中dyn关键字的存在来区分具体类型和 trait 对象在类型级别上的区别。

struct Struct;
trait Trait {}
// regular struct
&Struct
Box<Struct>
Rc<Struct>
Arc<Struct>
// trait objects
&dyn Trait
Box<dyn Trait>
Rc<dyn Trait>
Arc<dyn Trait>

不是所有的 trait 都可以被转成 trait 对象。当且仅当一个 trait 满足下面这些要求时，它才是对象安全的（object-safe）：

• trait 不要求Self:Sized
• trait 的所有方法都是对象安全的

当一个 trait 方法满足下面的要求时，该方法是对象安全的：

• 方法要求Self:Sized 或者
• 方法在其接收者位置仅使用一个Self类型

理解为什么要求是这样的，与本文的其余部分无关，但如果你仍然好奇，可以阅读Sizeness in Rust（译注：Sizedness in Rust 这篇文章已翻译，可在公众号翻阅往期文章）。

标记 Trait（Marker Traits）

标记 trait 是不含 trait 项的 trait。它们的工作把实现类型“标记（mark）”为具有某种属性，否则就没有办法在类型系统中去表示。

// Impling PartialEq for a type promises
// that equality for the type has these properties:
// - symmetry: a == b implies b == a, and
// - transitivity: a == b && b == c implies a == c
// But DOES NOT promise this property:
// - reflexivity: a == a
trait PartialEq {
    fn eq(&self, other: &Self) -> bool;
}
// Eq has no trait items! The eq method is already
// declared by PartialEq, but "impling" Eq
// for a type promises this additional equality property:
// - reflexivity: a == a
trait Eq: PartialEq {}
// f64 impls PartialEq but not Eq because NaN != NaN
// i32 impls PartialEq & Eq because there's no NaNs :)

自动 Trait（Auto Trait）

自动 Trait 是指如果一个类型的所有成员都实现了该 trait，该类型就会自动实现该 trait。“成员（member）”的含义取决于类型，例如：结构体的字段、枚举的变量、数组的元素、元组的项，等等。

所有的自动 trait 都是标记 trait，但不是所有的标记 trait 都是自动 trait。自动 trait 必须是标记 trait，所以编译器可以为它们提供一个自动的默认实现，如果它们有任何 trait 项，这就不可能实现了。

自动 trait 的例子。

// implemented for types which are safe to send between threads
unsafe auto trait Send {}
// implemented for types whose references are safe to send between threads
unsafe auto trait Sync {}

不安全 Trait（Unsafe Trait）

Trait 可以被标记为 unsafe，以表明实现该 trait 可能需要 unsafe 代码。Send和Sync都被标记为 unsafe，因为如果它们不是自动实现的类型，就意味着它必须包含一些非Send或非Sync的成员，如果我们想手动标记类型为Send和Sync，作为实现者我们必须格外小心，确保没有数据竞争。

自动 Trait

Send & Sync

所需预备知识

unsafe auto trait Send {}
unsafe auto trait Sync {}

如果一个类型是Send，这就意味着它可以在线程之间被安全地发送（send）。如果一个类型是Sync，这就意味着它可以在线程间安全地共享引用。说得更准确点就是，当且仅当&T是Send时，类型T是Sync。

几乎所有的类型都是Send和Sync。唯一值得注意的Send例外是Rc，Sync例外中需要注意的是Rc，Cell，RefCell。如果我们需要一个满足Send的Rc，我们可以使用Arc。如果我们需要一个Cell或RefCell的Sync版本，我们可以使用Mutex或RwLock。尽管我们使用Mutex和RwLock来包装一个原始类型，但通常来讲，使用标准库提供的原子类型会更好一些，比如AtomicBool，AtomicI32，AtomicUsize等等。

几乎所有的类型都是Sync这件事，可能会让一些人感到惊讶，但它是真的，即使是对于没有任何内部同步的类型来讲，也是如此。这能够得以实现要归功于 Rust 严格的借用规则。

我们可以传递同一份数据的若干个不可变引用到多个线程中，由于只要有不可变引用存在，Rust 就会静态地保证底层数据不被修改，所以我们可以保证不会发生数据竞争。

use crossbeam::thread;
fn main() {
    let mut greeting = String::from("Hello");
    let greeting_ref = &greeting;
    thread::scope(|scoped_thread| {
        // spawn 3 threads
        for n in 1..=3 {
            // greeting_ref copied into every thread
            scoped_thread.spawn(move |_| {
                println!("{} {}", greeting_ref, n); // prints "Hello {n}"
            });
        }
        // line below could cause UB or data races but compiler rejects it
        greeting += " world"; // ❌ cannot mutate greeting while immutable refs exist
    });
    // can mutate greeting after every thread has joined
    greeting += " world"; // ✅
    println!("{}", greeting); // prints "Hello world"
}

同样地，我们可以把数据的一个可变引用传递给一个单独的线程，由于 Rust 静态地保证不存在可变引用的别名，所以底层数据不会通过另一个可变引用被修改，因此我们也可以保证不会发生数据竞争。

use crossbeam::thread;
fn main() {
    let mut greeting = String::from("Hello");
    let greeting_ref = &mut greeting;
    thread::scope(|scoped_thread| {
        // greeting_ref moved into thread
        scoped_thread.spawn(move |_| {
            *greeting_ref += " world";
            println!("{}", greeting_ref); // prints "Hello world"
        });
        // line below could cause UB or data races but compiler rejects it
        greeting += "!!!"; // ❌ cannot mutate greeting while mutable refs exist
    });
    // can mutate greeting after the thread has joined
    greeting += "!!!"; // ✅
    println!("{}", greeting); // prints "Hello world!!!"
}

这就是为什么大多数类型在不需要任何显式同步的情况下，都满足Sync的原因。当我们需要在多线程中同时修改某个数据T时，除非我们用Arc<Mutex<T>>或者Arc<RwLock<T>>来包装这个数据，否则编译器是不会允许我们进行这种操作，所以编译器会在需要时强制要求进行显式地同步。

Sized

如果一个类型是Sized，这意味着它的类型大小在编译期是可知的，并且可以在栈上创建一个该类型的实例。

类型的大小及其含义是一个微妙而巨大的话题，影响到编程语言的许多方面。因为它十分重要，所以我单独写了一篇文章Sizedness in Rust，如果有人想要更深入地了解 sizedness，我强烈推荐阅读这篇文章。我会把这篇文章的关键内容总结在下面。

1. 所有的泛型类型都有一个隐含的Sized约束。

fn func<T>(t: &T) {}
// example above desugared
fn func<T: Sized>(t: &T) {}

1. 因为所有的泛型类型上都有一个隐含的Sized约束，如果我们想要选择退出这个约束，我们需要使用特定的“宽松约束（relaxed bound）”语法——?Sized，该语法目前只为Sized trait 存在。

// now T can be unsized
fn func<T: ?Sized>(t: &T) {}

1. 所有的 trait 都有一个隐含的?Sized约束。

trait Trait {}
// example above desugared
trait Trait: ?Sized {}

这是为了让 trait 对象能够实现 trait，重申一下，所有的细枝末节都在Sizedness in Rust中。

泛型 traits

Default

trait Default {
    fn default() -> Self;
}

可以为实现了Default的类型构造默认值。

struct Color {
    r: u8,
    g: u8,
    b: u8,
}
impl Default for Color {
    // default color is black
    fn default() -> Self {
        Color {
            r: 0,
            g: 0,
            b: 0,
        }
    }
}

这在快速构建原型的时候十分有用，尤其是在我们没有过多要求而只需要一个类型实例的情况下：

fn main() {
    // just give me some color!
    let color = Color::default();
}

当我们想要显式地把函数暴露给用户时，也可以选择这样做：

struct Canvas;
enum Shape {
    Circle,
    Rectangle,
}
impl Canvas {
    // let user optionally pass a color
    fn paint(&mut self, shape: Shape, color: Option<Color>) {
        // if no color is passed use the default color
        let color = color.unwrap_or_default();
        // etc
    }
}

当我们需要构造泛型类型时，Default在泛型上下文中也是有用的：

fn guarantee_length<T: Default>(mut vec: Vec<T>, min_len: usize) -> Vec<T> {
    for _ in 0..min_len.saturating_sub(vec.len()) {
        vec.push(T::default());
    }
    vec
}

我们还可以利用Default类型结合 Rust 的结构体更新语法（struct update syntax）来对结构体部分初始化。现在，我们有一个Color结构体构造函数new，该函数接收结构体的所有成员作为参数：

impl Color {
    fn new(r: u8, g: u8, b: u8) -> Self {
        Color {
            r,
            g,
            b,
        }
    }
}

但是，我们可以有更为便利的构造函数，这些构造函数分别只接收结构体的一部分成员，结构体剩下的其他成员使用默认值：

impl Color {
    fn red(r: u8) -> Self {
        Color {
            r,
            ..Color::default()
        }
    }
    fn green(g: u8) -> Self {
        Color {
            g,
            ..Color::default()
        }
    }
    fn blue(b: u8) -> Self {
        Color {
            b,
            ..Color::default()
        }
    }
}

还有一个Default派生宏，通过使用它我们可以像下面这样来写Color：

// default color is still black
// because u8::default() == 0
#[derive(Default)]
struct Color {
    r: u8,
    g: u8,
    b: u8
}

Clone

trait Clone {
    fn clone(&self) -> Self;
    // provided default impls
    fn clone_from(&mut self, source: &Self);
}

我们能够把Clone类型的不可变引用转换为所拥有的值，即&T->T。Clone不保证这种转换的效率，所以它会很慢并且成本较高。我们可以使用派生宏在一个类型上快速实现Clone：

#[derive(Clone)]
struct SomeType {
    cloneable_member1: CloneableType1,
    cloneable_member2: CloneableType2,
    // etc
}
// macro generates impl below
impl Clone for SomeType {
    fn clone(&self) -> Self {
        SomeType {
            cloneable_member1: self.cloneable_member1.clone(),
            cloneable_member2: self.cloneable_member2.clone(),
            // etc
        }
    }
}

Clone可以用于在泛型上下文中构造一个类型实例。下面是从前面章节拿过来的一个例子，其中的Default被替换为了Clone：

fn guarantee_length<T: Clone>(mut vec: Vec<T>, min_len: usize, fill_with: &T) -> Vec<T> {
    for _ in 0..min_len.saturating_sub(vec.len()) {
        vec.push(fill_with.clone());
    }
    vec
}

人们通常把克隆（clone）作为一种避免和借用检查器打交道的逃生出口（escape hatch）。管理带有引用的结构体很具有挑战性，但是我们可以通过克隆把引用变为所拥有的值。

// oof, we gotta worry about lifetimes 😟
struct SomeStruct<'a> {
    data: &'a Vec<u8>,
}
// now we're on easy street 😎
struct SomeStruct {
    data: Vec<u8>,
}

如果我们正在编写的程序对性能不敏感，那么我们就不需要担心克隆数据的问题。Rust 是一门暴露了很多底层细节的语言，所以开发者很容易陷入过早的优化而非真正解决眼前的问题。对于很多程序来讲，最好的优先级顺序通常是，首先构建正确性，其次是优雅性，第三是性能，仅当在对性能进行剖析并确定性能瓶颈之后再去关注性能。通常而言，这是一个值得采纳的好建议，但是你需要清楚，它未必适用于你的程序。

Copy

trait Copy:Clone{}

我们拷贝Copy类型，例如：T->T.Copy承诺拷贝操作是简单的按位拷贝，所以它是快速高效的。我们不能自己实现Copy，只有编译器可以提供实现，但是我们可以通过使用Copy派生宏让编译器这么做，就像使用Clone派生宏一样，因为Copy是Clone的一个 subtrait:

#[derive(Copy, Clone)]
struct SomeType;

Copy对Clone进行了细化。一个克隆（clone）操作可能很慢并且开销很大，但是拷贝（copy）操作保证是快速且开销较小的，所以拷贝是一种更快的克隆操作。如果一个类型实现了Copy，Clone实现就无关紧要了：

// this is what the derive macro generates
impl<T: Copy> Clone for T {
    // the clone method becomes just a copy
    fn clone(&self) -> Self {
        *self
    }
}

当一个类型实现了Copy之后，它在被移动（move）时的行为就发生了改变。默认情况下，所有的类型都有移动（move）语义 ，但是一旦某个类型实现了Copy，它就有了拷贝（copy）语义 。为了解释二者的不同，让我们看一下这些简单的场景：

// a "move", src: !Copy
let dest = src;
// a "copy", src: Copy
let dest = src;

在上面两种情况下，dest = src对src的内容进行按位拷贝并把结果移动到dest，唯一的不同是，在第一种情况（”a move”）中，借用检查器使得src变量失效并确保它后面不会在任何其他地方被使用;在第二种情况下（”a copy”）中，src仍然是有效且可用的。

简而言之：拷贝就是移动，移动就是拷贝。它们之间唯一的区别就是其对待借用检查器的方式。

来看一个关于移动（move）的更具体的例子，假定sec是一个Vec<i32>类型，并且它的内容看起来像下面这样：

{ data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }

当我们执行了dest = src，我们会得到：

src = { data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }
dest = { data: *mut [i32], length: usize, capacity: usize }

在这个未知，src和dest对同一份数据各有一个可变引用别名，这是一个大忌，因此，借用检查器让src变量失效，在编译器不报错的情况下。使得它不能再被使用。

再来看一个关于拷贝（copy）的更具体的例子，假定src是一个Option<i32>，且它的内容看起来如下：

{ is_valid: bool, data: i32 }

现在，当我们执行dest = src时，我们会得到：

src = { is_valid: bool, data: i32 }
dest = { is_valid: bool, data: i32 }

它们俩同时都是可用的！因此，Option<i32>是Copy。

尽管Copy是一个自动 trait，但是 Rust 语言设计者决定，让类型显式地选择拷贝语义，而不是在类型符合条件时默默地继承拷贝语义，因为后者可能会引起经常导致 bug 的混乱行为。

Any

trait Any: 'static {
    fn type_id(&self) -> TypeId;
}

Rust 的多态风格是参数化的，但是如果我们正在尝试使用一种类似于动态类型语言的更为特别（ad-hoc）的多态风格，那么我们可以通过使用Any trait 来进行模拟。我们不必手动为我们的类型实现Any trait，因为这已经被 generic blanket impl 所涵盖：

impl<T: 'static + ?Sized> Any for T {
    fn type_id(&self) -> TypeId {
        TypeId::of::<T>()
    }
}

我们通过使用downcast_ref::<T>()和downcast_mut::<T>()方法从一个dyn Any中拿出一个T:

use std::any::Any;
#[derive(Default)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Point {
    fn inc(&mut self) {
        self.x += 1;
        self.y += 1;
    }
}
fn map_any(mut any: Box<dyn Any>) -> Box<dyn Any> {
    if let Some(num) = any.downcast_mut::<i32>() {
        *num += 1;
    } else if let Some(string) = any.downcast_mut::<String>() {
        *string += "!";
    } else if let Some(point) = any.downcast_mut::<Point>() {
        point.inc();
    }
    any
}
fn main() {
    let mut vec: Vec<Box<dyn Any>> = vec![
        Box::new(0),
        Box::new(String::from("a")),
        Box::new(Point::default()),
    ];
    // vec = [0, "a", Point { x: 0, y: 0 }]
    vec = vec.into_iter().map(map_any).collect();
    // vec = [1, "a!", Point { x: 1, y: 1 }]
}

这个 trait 很少需要用到，因为在大多数情况下，参数化多态要优于临时多态性，后者也可以用枚举（enum）来模拟，枚举具有更好的类型安全，需要的间接（抽象）也更少。例如，我们可以用下面的方式实现上面的例子：

#[derive(Default)]
struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}
impl Point {
    fn inc(&mut self) {
        self.x += 1;
        self.y += 1;
    }
}
enum Stuff {
    Integer(i32),
    String(String),
    Point(Point),
}
fn map_stuff(mut stuff: Stuff) -> Stuff {
    match &mut stuff {
        Stuff::Integer(num) => *num += 1,
        Stuff::String(string) => *string += "!",
        Stuff::Point(point) => point.inc(),
    }
    stuff
}
fn main() {
    let mut vec = vec![
        Stuff::Integer(0),
        Stuff::String(String::from("a")),
        Stuff::Point(Point::default()),
    ];
    // vec = [0, "a", Point { x: 0, y: 0 }]
    vec = vec.into_iter().map(map_stuff).collect();
    // vec = [1, "a!", Point { x: 1, y: 1 }]
}