8.4 特征对象与动态分发

在 Rust 中，泛型通常通过静态分发（monomorphization）实现：编译器为每个具体类型生成独立的代码，从而获得零成本抽象。然而，这种机制要求所有类型在编译时已知，无法处理运行时才确定的异构类型集合。为此，Rust 提供了特征对象（Trait Objects），支持动态分发（dynamic dispatch）。

什么是特征对象

特征对象是一种引用形式，如 &dyn Trait 或 Box<dyn Trait>，它指向一个实现了指定 trait 的具体值，同时携带一个虚表（vtable），用于在运行时查找方法实现。

例如：

trait Draw {
    fn draw(&self);
}

struct Circle;
struct Square;

impl Draw for Circle {
    fn draw(&self) { println!("Drawing a circle"); }
}

impl Draw for Square {
    fn draw(&self) { println!("Drawing a square"); }
}

我们可以将不同类型的实例放入同一个集合中：

let circle = Circle;
let square = Square;
let shapes: Vec<&dyn Draw> = vec![&circle, &square];

for shape in shapes {
    shape.draw(); // 运行时决定调用哪个 draw 实现
}

这里，&dyn Draw 就是一个特征对象。它不关心底层是 Circle 还是 Square，只要实现了 Draw 即可。

动态分发 vs 静态分发

特征对象的限制：对象安全性

并非所有 trait 都能作为特征对象使用。只有满足对象安全（object safety）条件的 trait 才可以。主要规则包括：

• 所有方法不能返回 Self；
• 不能包含泛型参数；
• 不能使用 Sized 约束（除非显式放宽）。

例如，以下 trait 不是对象安全的：

trait Cloneable {
    fn clone(&self) -> Self; // 返回 Self → 不对象安全
}

因为运行时无法知道 Self 的大小和类型，无法分配内存。

标准库中的 Clone、Sized 等 trait 因此不能直接用作特征对象。

使用 Box<dyn Trait> 转移所有权

当需要将值的所有权存入集合或返回特征对象时，常用 Box<dyn Trait>：

fn make_shape(kind: &str) -> Box<dyn Draw> {
    match kind {
        "circle" => Box::new(Circle),
        "square" => Box::new(Square),
        _ => panic!("Unknown shape"),
    }
}

let shape = make_shape("circle");
shape.draw();

Box 在堆上分配内存，使特征对象拥有稳定地址和统一大小（指针大小 + vtable 指针）。

特征对象与生命周期

特征对象可包含生命周期标注：

fn draw_shapes<'a>(shapes: Vec<&'a dyn Draw>) {
    for s in shapes { s.draw(); }
}

若未显式标注，Rust 会根据上下文推断，但有时需手动指定以避免歧义。

小结

特征对象是 Rust 实现运行时多态的核心机制，适用于需要处理多种不同类型但共享同一行为接口的场景，如 GUI 组件、插件系统或事件处理器。尽管存在轻微性能开销，但它提供了静态分发无法实现的灵活性。理解其工作原理、适用条件及对象安全限制，有助于在合适的地方选择动态分发，构建既灵活又安全的系统架构。