Trait objectのDynamic dispatch

Created on February 8, 2023

trait objectってのは dyn Trait ←こういうの

なんでDynamic Dispatchが必要なの？

Unlike generic parameters or impl Trait, the compiler does not know the concrete type that is being passed. That is, the type has been erased. As such, a dyn Trait reference contains two pointers. One pointer goes to the data (e.g., an instance of a struct). Another pointer goes to a map of method call names to function pointers (known as a virtual method table or vtable).

Trait objectはGenericsと逆のことをしている。

Trait objectは
- Traitに必要な関数へのポインタのみを型から抜き出してくる（汎化する）
- その背後にある型は無視する・忘れる（型消去）
Genericsは、
- 実際にTに入れられた型のそれぞれについて実装を作成する（特化する）
  - それぞれについて最適化ができる
  - 呼び出しは（コンパイル時に）そのコピーに仕向ける
- 当然それぞれの実装がどの型に対応しているか、コンパイルの間は覚えていないといけない

Trait objectについては、もちろんコンパイル時にはその型がちゃんとTraitの実装を持っているか見るのだが、メモリレイアウト上では差をつくらない（同じ形のvtableを持つ）。

The compiler doesn’t know all the types that might be used with the code that is using trait objects

↑そんなことはなくね?

図解：

Vec<T>にはboundがついていない（T: ?Sizedもない）ので、デフォルトでT: Sizedを要求されることに注意。

型消去

また、型を「忘れる」のは意図的であることに注意する。

Dynamic dispatchingはstaticに比べてコードが小さくなるという利点がある。あえてdynamic dispatchingを採用しているときに、型の情報を覚えていたってしょうがないので忘れている、ということ。
Hoge へのポインタ、つまり Hoge の先頭のアドレスを持ってはいるが、その後にどんなデータが入っているか dyn は知らない

型消去は「あえて」型を無視させるので、他の言語ではまわりくどいコードを書かざるを得ないこともあるが、Rustではそれが dyn 一発でできる。

Swiftの例：Keep Calm and Type Erase On (try! Swift)
C++の例：Type Erasure(型消去）を使って何でも格納できる型を作成する

Object Safety

さて、そうやってもとの型を忘れてしまうと困るケースがある。たとえば、図の c() の引数や返り値が Self のとき。本来なら Hoge を返せばいいのだが、もう忘れてしまった。どうしようもないので、こういう関数はDynamic dispatchingの対象から外している（object safety）。

メソッドがgenericsを使っている場合も困る。Genericsを使うとコンパイル時に実装がコピーされる。c::<i64>::(), c::<u32>::(), c::<usize>::(), ...
- わかんない
- 別にvtableに全パターンぶち込んで呼べばよくね？
where Self: Sized をつける理由
- Sizedだとobject-safeにならない？
  - Sizedは「コンパイル時にサイズがわかる」だけではなくて、「サイズが一定である」こともいう
  - traitはもとの型によってサイズがバラバラになるので、それをdynにしたtrait objectもDST（つまり!Sized）にならざるを得ない
  - Sizedにすると、（traitの場合）「このtraitはtrait objectになれませんよ」（メソッドの場合）「このメソッドはtrait objectでは使えませんよ」と宣言することと同義になる
    - std::marker::Sizedがわかりやすい
- 引数に self があるとき、そのself は Self: Sizedを満たさなければならない一方で、元の型がわからないからコンパイル時にサイズがわからない

等価なコードをtrait objectとgenerics両方で書ける？

trait Foo {
    fn c();
    fn d();
}

impl Foo for Hoge {
    fn c() { do_something(); }
    fn d() { do_something_once_again(); }
}

impl Foo for Piyo {
    fn c() { do_something(); }
    fn d() { do_something_once_again(); }
}

let v: Vec<Box<dyn Foo>> = vec![Box::new(Hoge::new()), Box::new(Piyo::new())];
for vv in v { vv.c(); }

trait objectを使わないのなら…

hoge.c();
piyo.c(); 

と個別に呼ぶか、

fn c<F>(this: F) {
    // Foo.c()に相当する処理 
}

c(piyo);
c(hoge);

って感じにする？

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