改进rust代码的35种具体方法-类型(十九)-避免使用反射

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从其他语言来到Rust的程序员通常习惯于将反思作为工具箱中的工具。他们可能会浪费很多时间试图在Rust中实现基于反射的设计，却发现他们所尝试的事情只能做得不好，如果有的话。这个项目希望通过描述Rust在反思方面做什么和不做什么，以及可以使用什么来节省探索死胡同所浪费的时间。

反思是程序在运行时检查自己的能力。给定一个运行时的项目，它涵盖了以下问题：

关于物品的类型，可以确定哪些信息？
这些信息能做什么？

具有全面反思支持的编程语言对这些问题有广泛的答案。基于反射信息，带有反射的语言通常在运行时支持以下部分或全部内容：

确定变量的类型
探索其内容
修改其字段
调用其方法

具有这种反射支持水平的语言也往往是动态类型语言（例如Python、Ruby），但也有一些值得注意的静态类型语言也支持反射，特别是java和Go。

Rust不支持这种类型的反射，这使得避免反射的建议在这个层面上很容易遵循——这是不可能的。对于来自支持充分反思的语言的程序员来说，这种缺席起初似乎是一个重大差距，但Rust的其他功能提供了解决许多相同问题的替代方法。

C++具有更有限的反射形式，称为运行时类型识别（RTTI）。typeid运算符为每个类型返回一个唯一标识符，用于多态类型的对象（大致：具有虚拟函数的类）：

typeid：可以通过基类引用恢复引用的对象的具体类

dynamic_cast<T>：允许将基类引用转换为派生类，当这样做安全且正确时

Rust也不支持这种RTTI反思风格，延续了本项目建议易于遵循的主题。

Rust确实支持一些在std::any模块中提供类似功能的功能，但它们是有限的（以我们将探索的方式），因此除非没有其他替代方案，否则最好避免。

std::any的第一个反射状功能起初看起来像魔术——一种确定物品类型名称的方法。以下示例使用用户定义的tname()函数：

let x = 42u32;
let y = vec![3, 4, 2];
println!("x: {} = {}", tname(&x), x);
println!("y: {} = {:?}", tname(&y), y);

显示类型以及值：

x: u32 = 42
y: alloc::vec::Vec<i32> = [3, 4, 2]

该实现由std::any::type_name<T>库函数提供，该函数也是通用的。此函数只能访问编译时信息；没有代码运行来确定运行时的类型。之前中使用的特征对象类型说明了这一点：

let square = Square::new(1, 2, 2);
let draw: &dyn Draw = &square;
let shape: &dyn Shape = &square;

println!("square: {}", tname(&square));
println!("shape: {}", tname(&shape));
println!("draw: {}", tname(&draw));

只有特征对象的类型可用，而不是具体基础项目的类型（Square）：

square: reflection::Square
shape: &dyn reflection::Shape
draw: &dyn reflection::Draw

type_name返回的字符串仅适用于诊断——它显然是一个“尽最大努力”助手，其内容可能会发生变化，并且可能不是唯一的——因此不要试图解析type_name结果。如果您需要全局唯一类型标识符，请改用TypeId：

use std::any::TypeId;

fn type_id<T: 'static + ?Sized>(_v: &T) -> TypeId {
    TypeId::of::<T>()
}

println!("x has {:?}", type_id(&x));
println!("y has {:?}", type_id(&y));

x has TypeId { t: 18349839772473174998 }
y has TypeId { t: 2366424454607613595 }

输出对人类的帮助较小，但唯一性的保证意味着结果可以用于代码。然而，通常最好不要直接使用TypeId，而是使用std::any::Any特征，因为标准库具有处理Any实例的附加功能（如下所述）。

Any trait只有一个方法type_id()，它返回实现该trait的类型的TypeId值。你不能自己实现这个特性，因为Any已经为大多数任意类型T提供了一个全面的实现:

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

总体实现并不涵盖所有类型T：T: 'static生命周期绑定意味着，如果T包含任何具有非'static生命周期的引用，则TypeId不会为T实现。这是一个故意施加的限制，因为生命周期不是类型的一部分:TypeId::of::<&'a T>将与TypeId::of::<&'b T>相同，尽管生命周期不同，这增加了混淆和代码不健全的可能性。

从第8项中回想一下，特征对象是一个胖指针，它包含指向底层项目的指针，以及指向特征实现vtable的指针。对于Any，vtable有一个条目，用于返回项目类型的type_id()方法，如下图所示：

let x_any: Box<dyn Any> = Box::new(42u64);
let y_any: Box<dyn Any> = Box::new(Square::new(3, 4, 3));

Any特征对象，每个都有指向具体项目和vtable的指针

除了几个间接性外，dyn Any特征对象实际上是原始指针和类型标识符的组合。这意味着标准库可以提供一些额外的通用方法，这些方法是为dyn Any特征对象定义的；这些方法是一些附加类型T的通用的：

is::<T>()：指示特征对象的类型是否等于某些特定的其他类型T
downcast_ref::<T>()：返回对具体类型T的引用，前提是特征对象的类型匹配T
downcast_mut::<T>()：返回对具体类型T的可变引用，前提是特征对象的类型匹配T

观察Any特征只是近似反射功能：程序员选择（在编译时）明确构建一些东西（&dyn Any），以跟踪项目的编译时类型及其位置。只有当构建Any特征对象的开销已经发生时，（例如）向下回归原始类型的能力才有可能。

在相对较少的场景中，Rust具有与项目相关的不同编译时和运行时类型。其中最主要的是特征对象：混凝土类型Square的项目可以强制为该类型实现的特征的特征对象dyn Shape。这种胁迫从一个简单的指针（对象/项目）构建一个胖指针（对象+vtable）。

也从之前文章中回忆起，Rust的特征对象并不是真正面向对象的。aSquare不是Shape；只是Square实现了Shape的接口。特征绑定也是如此：特征绑定Shape: Draw并不意味着is-a；它只是意味着也实现，因为Shape的vtable包括Draw方法的条目。

对于一些简单的特质界限：

trait Draw: Debug {
    fn bounds(&self) -> Bounds;
}

trait Shape: Draw {
    fn render_in(&self, bounds: Bounds);
    fn render(&self) {
        self.render_in(overlap(SCREEN_BOUNDS, self.bounds()));
    }
}

等效特征对象：

let square = Square::new(1, 2, 2);
let draw: &dyn Draw = &square;
let shape: &dyn Shape = &square;

有一个带有箭头的布局（如图3-5所示；从第重复），使问题变得清晰：给定一个dyn Shape对象，没有立即构建dyn Draw特征对象的方法，因为没有办法回到impl Draw for Square的vtable——即使其内容的相关部分（Square::bounds()方法的地址）在理论上是可恢复的。（这在后续版本的Rust中可能会发生变化；请参阅此项目的最后一节。）