为什么不能将 `&(?Sized + Trait)` 转换为 `&dyn Trait`？

Question

在下面的代码中，不可能从对实现相同特征的动态大小类型的引用中获取对特征对象的引用。 为什么会这样？ 如果我可以使用两者来调用 trait 方法，那么&dyn Trait和&(?Sized + Trait)之间到底有什么区别？

实现FooTraitContainerTrait的类型可能例如具有type Contained = dyn FooTrait或type Contained = T ，其中T是实现FooTrait的具体类型。 在这两种情况下，获得&dyn FooTrait 。 我想不出另一种不起作用的情况。 为什么在FooTraitContainerTrait的通用情况下这不可能？

trait FooTrait {
    fn foo(&self) -> f64;
}

///

trait FooTraitContainerTrait {
    type Contained: ?Sized + FooTrait;
    fn get_ref(&self) -> &Self::Contained;
}

///

fn foo_dyn(dyn_some_foo: &dyn FooTrait) -> f64 {
    dyn_some_foo.foo()
}

fn foo_generic<T: ?Sized + FooTrait>(some_foo: &T) -> f64 {
    some_foo.foo()
}

///

fn foo_on_container<C: FooTraitContainerTrait>(containing_a_foo: &C) -> f64 {
    let some_foo = containing_a_foo.get_ref();
    // Following line doesn't work:
    //foo_dyn(some_foo)
    // Following line works:
    //some_foo.foo()
    // As does this:
    foo_generic(some_foo)
}

取消注释foo_dyn(some_foo)行会导致编译器错误

error[E0277]: the size for values of type `<C as FooTraitContainerTrait>::Contained` cannot be known at compilation time
  --> src/main.rs:27:22
   |
27 |     foo_dyn(contained)
   |             ^^^^^^^^^ doesn't have a size known at compile-time
   |
   = help: the trait `std::marker::Sized` is not implemented for `<C as FooTraitContainerTrait>::Contained`
   = note: to learn more, visit <https://doc.rust-lang.org/book/ch19-04-advanced-types.html#dynamically-sized-types-and-the-sized-trait>
   = help: consider adding a `where <C as FooTraitContainerTrait>::Contained: std::marker::Sized` bound
   = note: required for the cast to the object type `dyn FooTrait`

Answer 1

这个问题可以简化为以下简单示例（感谢turbulencetoo ）：

trait Foo {}

fn make_dyn<T: Foo + ?Sized>(arg: &T) -> &dyn Foo {
    arg
}

乍一看，正如您所观察到的，它确实应该可以编译：

• 如果T是Sized ，编译器静态地知道它应该使用什么 vtable 来创建 trait 对象；
• 如果T是dyn Foo ，则 vtable 指针是引用的一部分，可以直接复制到输出。

但是还有第三种可能性会影响工作：

• 如果T是一些不是dyn Foo未定大小的类型，即使 trait 是对象安全的，也没有 vtable for impl Foo for T 。

没有 vtable 的原因是因为具体类型的 vtable 假定self指针是细指针。 当你在一个dyn Trait对象上调用一个方法时，vtable 指针用于查找一个函数指针，并且只有数据指针被传递给函数。

但是，假设您为未确定大小的类型实现了 (n object-safe) trait：

trait Bar {}
trait Foo {
    fn foo(&self);
}

impl Foo for dyn Bar {
    fn foo(&self) {/* self is a fat pointer here */}
}

如果有这方面的一个虚函数表impl ，那就得接受脂肪指针，因为impl可以使用的方法Bar这是在动态分派self 。

这会导致两个问题：

• 没有地方可以在&dyn Foo对象中存储Bar vtable 指针，该对象的大小只有两个指针（数据指针和Foo vtable 指针）。
• 即使您有两个指针，也不能将“胖指针”vtable 与“瘦指针”vtable 混合和匹配，因为它们必须以不同的方式调用。

因此，即使dyn Bar实现了Foo ，也不可能将&dyn Bar变成&dyn Foo 。

尽管切片（另一种未调整大小的类型）没有使用 vtables 实现，但指向它们的指针仍然很胖，因此同样的限制适用impl Foo for [i32] 。

在某些情况下，您可以使用CoerceUnsized （仅在 Rust 1.36 中每晚使用）来表达诸如“必须&dyn FooTrait为&dyn FooTrait ”之类的边界。 不幸的是，我不知道如何在您的情况下应用它。

也可以看看

• Rust 中的“胖指针”是什么？
• 在 rust 中使用 trait object to pass str有一个具体的例子，它是对未定义大小的类型 ( str ) 的引用，该类型不能被强制转换为对 trait 对象的引用。

Answer 2

不确定这是否能解决您的具体问题，但我确实使用以下技巧解决了我的问题：

我在FooTrait添加了以下方法：

fn as_dyn(&self) -> &dyn FooTrait;

不能提供默认的 impl（因为它要求Self为Sized ，但将FooTrait限制为Sized禁止为其创建 trait 对象......）。

然而，对于所有Sized实现，它被简单地实现为

fn as_dyn(&self) -> &dyn FooTrait { self }

所以基本上它限制了FooTrait所有实现的大小，除了dyn FooTrait 。

在操场上试试

Answer 3

引用自此博客，它很好地解释了胖指针。

感谢trentcl将问题简化为：

trait Foo {}

fn make_dyn<T: Foo + ?Sized>(arg: &T) -> &dyn Foo {
    arg
}

这就带来了如何在不同的?Sized之间进行转换？

为了回答这个问题，让我们先看看 Unsized 类型Trait的实现。

trait Bar {
    fn bar_method(&self) {
        println!("this is bar");
    }
}

trait Foo: Bar {
    fn foo_method(&self) {
        println!("this is foo");
    }
}

impl Bar for u8 {}
impl Foo for u8 {}

fn main() {
    let x: u8 = 35;
    let foo: &dyn Foo = &x;
    // can I do
    // let bar: &dyn Bar = foo;
}

那么，你能不能let bar: &dyn Bar = foo; ?

// below is all pseudo code
pub struct TraitObjectFoo {
    data: *mut (),
    vtable_ptr: &VTableFoo,
}

pub struct VTableFoo {
    layout: Layout,
    // destructor
    drop_in_place: unsafe fn(*mut ()),
    // methods shown in deterministic order
    foo_method: fn(*mut ()),
    bar_method: fn(*mut ()),
}

// fields contains Foo and Bar method addresses for u8 implementation
static VTABLE_FOO_FOR_U8: VTableFoo = VTableFoo { ... };

从伪代码我们可以知道

// let foo: &dyn Foo = &x;
let foo = TraitObjectFoo {&x, &VTABLE_FOO_FOR_U8};
// let bar: &dyn Bar = foo;
// C++ syntax for contructor
let bar = TraitObjectBar(TraitObjectFoo {&x, &VTABLE_FOO_FOR_U8});

bar类型是TraitObjectBar ，而不是TraitObjectFoo类型。 也就是说，您不能将一种类型的结构分配给另一种不同的类型（在 rust 中，在 C++ 中您可以使用 reinterpret_cast）。

你可以做什么来获得另一个间接级别：

impl Bar for dyn Foo {
...
}

let bar: &dyn Bar = &foo;
// TraitObjectFoo {&foo, &VTABLE_FOO_FOR_DYN_FOO}

同样的事情也适用于 Slice。

铸造不同的Unsized的解决方法可以通过这个技巧来完成：

// blanket impl for all sized types, this allows for a very large majority of use-cases
impl<T: Bar> AsBar for T {
    fn as_bar(&self) -> &dyn Bar { self }
}

// a helper-trait to do the conversion
trait AsBar {
    fn as_bar(&self) -> &dyn Bar;
}

// note that Bar requires `AsBar`, this is what allows you to call `as_bar`
// from a trait object of something that requires `Bar` as a super-trait
trait Bar: AsBar {
    fn bar_method(&self) {
        println!("this is bar");
    }
}

// no change here
trait Foo: Bar {
    fn foo_method(&self) {
        println!("this is foo");
    }
}