【投稿】北海 - Rust与面向对象(二)

模板方法

Rust提供了trait,类似于面向对象的接口,不同的是,将传统面向对象的虚函数表从对象中分离出来,trait仍然是一个函数表,只不过是独立的,它的参数self指针可以指向任何实现了该trait的结构。

从对象中分离出虚函数表的trait,带来了使用上与面向对象一些根本的不同,这在我看来算是"很大"的不同了。让我们以模版方法设计模式为例来感受一下。先想一下,rust怎么依赖trait和结构继承,实现模板方法?所谓模板方法,就是父类留一个空白方法作为虚函数,交给子类实现,这样子类只负责不同的算法部分,是面向对象中很基础很常用的手法了。用Rust语言照葫芦画瓢先描述一下大概框架,如下:

go 复制代码
/// 一个父类A
struct A {
    ...
}

impl A {
    fn do_step1_common(&mut self) { ... }

    // 缺省实现,留给子类实现,如果是C++/Java这类面向对象语言,很容易。若是Rust,该怎么搞?
    fn do_step2_maybe_different(&mut self) { ... }

    fn do_step3_common(&mut self) { ... }

    pub fn do_all_steps(&mut self) {
        self.do_step1_common();
        self.do_step2_maybe_different();
        self.do_step3_common();
    }
}

// 具体的某个子类实现
struct A1 {
    a: A,
    ...
}

impl A1 {
    // 开始实现
    fn do_step2_maybe_different(&mut self) {
        // A1提供一种实现
    }
}

不瞒大家,我初识rust时就被这样一个面向对象上的简单案例,用rust实现给难住了!当时卡在父类看起来像是一个完整的类型,Rust怎么能未卜先知调用子类的方法呢?

其实,Rust要想实现这种效果,不能A1继承A这种了,而是A包含A1子类来实现,反着来,将不同的实现单独拆出来作为trait,再交给子类实现。

go 复制代码
trait DoStep2 {
    fn do_step2_maybe_different(&mut self);
}

/// 另一个父类B
struct B<T: DoStep2> {
    t: T, // 或者Box<&dyn DoStep2>
    ...
}

impl<T> B<T> {
    fn do_step1_common(&mut self) { ... }

    fn do_step3_common(&mut self) { ... }
}

impl<T: DoStep2> B<T> {
    pub fn do_all_steps(&mut self) {
        self.do_step1_common();
        self.t.do_step2_maybe_different();
        self.do_step3_common();
    }
}

/// 具体的子类实现
struct B1 {
    ...
}

impl DoStep2 for B1 {
    fn do_step2_maybe_different(&mut self) {
        // B1提供一种实现
    }
}

// 这样,
// B<B1> 相当于面向对象中的 A1
// B<B2> 相当于面向对象中的 A2

感觉不错,看起来颇为妥当,这种方式已经能在适合它的场景中工作,也是模板方法的体现。对比下,AB都不是完整的父类实现,A1B<B1>才是真正的具体类型,且它们都包含了父类的结构,虽然B<B1>的写法有点不合常规。若子类还拥有自己的独立的扩展结构的话,那Rust这种方式更优雅一些,拆分的更原子、更合理。实践中,往往不会这么完美的套用,会复杂很多,比如子类作为具体类型,想访问父类的成员,才能配合完成do_step2,Rust又该怎么做?面向对象的this指针则轻松支持。Rust不可能让B1再直接包含B,那样循环包含了,只能用引用或者指针来存在B1里面,但这样的话,岂不是太麻烦了,循环引用/包含都是我们极力避免的东西,麻烦到都想放弃模板方法了!

为何会有这种差异?因为面向对象的子类this指针其实指向的是整体,子类的函数表是个本身就包含父类的整体;而上述为B1实现DoStep2 trait的时候,self指向的仅仅是B1,并不知道B的存在。那怎么办?得让self指向整体B<B1>,那为B<B1>实现DoStep2行不行?像下面这样:

go 复制代码
impl DoStep2 for B<B1> {
    fn do_step2_maybe_different(&mut self) {
        // 这里self可以访问"父类"B的成员了
    }
}

但回过头来,B::do_all_steps(&mut self)就没法在"父类"B中统一实现了,因为B<T>B<B1>具象化之前,还不知道哪来的do_step2,因此要在impl B<B1>中实现,每个不同的具像化的子类都得单独实现相同的do_all_steps!你能接受不?

也许你能接受,为每个B<B1>B<B2>...重复拷贝一遍各自的do_all_steps!本文基于专业探讨,还是要寻找一下编写通用的do_all_steps方法的,有没有?当然是有的,前提是,你得把do_step1_commondo_step3_common也得trait化,然后在用一个trait组合限定搞定,如下:

go 复制代码
trait DoStep1 {
    fn do_step1_common(&mut self);
}

trait DoStep3 {
    fn do_step2_common(&mut self);
}

// 因为B<T>是泛型,只需为泛型编码实现一次DoStep1、DoStep3就行
impl<T> DoStep1 for B<T> { ... }
impl<T> DoStep3 for B<T> { ... }


// 最后,实现通用的do_all_steps,还得靠泛型。
// 此时,B<B1>已经满足T,会为其实现下面的函数
// 可以这样读:为所有实现了DoStep1/DoStep2/DoStep3特质的类型T实现do_all_steps
impl<T> T 
where
    T: DoStep1 + DoStep2 + DoStep3
{
    pub fn do_all_steps(&mut self) {
        self.do_step1_common();
        self.do_step2_maybe_different();
        self.do_step3_common();
    }
}

如何,这样应该能接受了吧。Rust通过把问题解构的更细粒度,完成了任务。客观对比下,面向对象的实现还是简单些,父类的do_step1do_step3函数永远指向了同一个实现,而Rust靠泛型应该是指向了3个不同的实现?不知道编译期有没有优化,盲猜应该有。可以说语法如此,Rust只能做到如此了。与面向对象的模板方法相比,最后一点小瑕疵,就是要多定义DoStep1DoStep2 2个trait,并用一个T: DoStep1 + DoStep2 + DoStep3通用类型包含同样实现了DoStep1 + DoStep2 + DoStep3B<T>,进而代表它。可我们想仅仅为B<T>类型实现,其他类型也不太可能这样实现了,一个T则把范围不必要地扩大了。要是能按照我们想要的,就仅为B<T>且实现了DoStep2B<T>来实现do_all_steps,就完美了。要做到此种程度,必须能对自身Self进行限定,如下:

go 复制代码
/// 可以这样读:为所有自身实现了DoStep2的B<T>实现do_all_steps
impl<T> B<T>
where
    Self: DoStep2
{
    pub fn do_all_steps(&mut self) {
        self.do_step1_common();
        self.do_step2_maybe_different();
        self.do_step3_common();
    }
}

这种写法还真可以,也不用额外定义DoStep1、DoStep3了,因为本身B<T>已经有do_step1_common/do_step3_common的实现了,Rust最新的稳定版就支持这样写!

一段完整的Rust代码,可以参考这里:https://play.rust-lang.org/?version=stable\&mode=debug\&edition=2021\&gist=b80de6d4e6d75bf59bb37db386264fed

一个小小的模板方法,Rust分离出2种不同的方式,这是模板方法设计模式都没提到的,2种方式还各有韵味。从定义的顺序上,C++的模板方法,是 "子类后续扩展父类" ,Rust的模板方法,则是 "父类提前包含子类泛型" ,写法上还真是一开始不太好扭过来。可一旦扭转过来,发现Rust挺强,仍不失面向对象技巧。

反观面向对象,一个模板方法案例,让大家看到了些许面向对象的束缚,其实也无伤大雅,面向对象也能用纯组合的方式实现模板方法,也不用继承,如果需要组合的对象再通过构造动态传递进来,那就跟策略模式很像了,这种组合传递来的对象不止一个时,就是策略模式!然后,让我想起了一个小争论,子类应该严格不准访问父类的成员,让父类的变化完全掌控在父类手中。面向对象的确可以做到,全部private。但Rust的处理方式,显示出了其对这些细节的语法表达更合乎逻辑。

总结

模板方法是面向对象虚函数继承的基本应用,是面向对象很多设计模式的基础,如装饰器模式。一篇讲解下来,Rust从一开始别别扭扭到更好地支持模板方法,其实能体会到,Rust强迫你去拆解,即便都是同一个模板方法,但不同的细节要求,子类是否需要访问父类,都有不同的处理变化,分出来的形式还更严格。写到最后,Rust都感觉不到面向对象那味了,那是什么味?

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