Rusts Any Trait verstehen: Typen-Introspection ohne Reflexion

Vorwort

Für eine Diskussion darüber, warum Rust keine Laufzeit-Reflexion einführt, siehe diesen RFC:

https://internals.rust-lang.org/t/pre-rfc-runtime-reflection/11039

Hier ist eine grobe Zusammenfassung:

• Dependency Injection (DI) muss nicht unbedingt über Reflexion implementiert werden; Rust kann bessere Implementierungen anbieten:
• Die Kombination aus Derive-Makros und Traits ermöglicht die Verlagerung der Implementierung von der Laufzeit zur Kompilierzeit;
• Zum Beispiel können prozedurale Makros Compile-Time-Reflexionsfunktionen ermöglichen, die Funktionalitäten wie Dependency Injection ermöglichen: https://github.com/dtolnay/reflect

Rust bietet das Any-Trait: Alle Typen (einschließlich benutzerdefinierter Typen) implementieren dieses Trait automatisch.

Daher können wir es verwenden, um einige reflexionsähnliche Funktionen zu erreichen.

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Any Analyse

Im Folgenden wird das Modul std::any erläutert:

Dieses Modul implementiert das Any-Trait, das die dynamische Typisierung jedes 'static-Typs durch Laufzeitreflexion ermöglicht. Any selbst kann verwendet werden, um TypeId zu erhalten, und bietet, wenn es als Trait-Objekt verwendet wird, weitere Funktionalitäten.

Als &dyn Any (ein geliehenes Trait-Objekt) bietet es die Methoden is und downcast_ref, um zu überprüfen, ob der enthaltene Wert von einem bestimmten Typ ist, und um eine Referenz auf den internen Wert dieses Typs zu erhalten. Als &mut dyn Any bietet es auch die Methode downcast_mut, um eine veränderliche Referenz auf den internen Wert zu erhalten.

Box<dyn Any> fügt eine downcast-Methode hinzu, die versucht, sie in Box<T> umzuwandeln. Beachten Sie, dass &dyn Any darauf beschränkt ist, zu überprüfen, ob ein Wert von einem bestimmten konkreten Typ ist, und nicht verwendet werden kann, um zu testen, ob ein Typ ein bestimmtes Trait implementiert.

Zusammenfassend bietet std::any vier Hauptfunktionen:

• Abrufen der TypeId einer Variablen;
• Überprüfen, ob eine Variable von einem bestimmten Typ ist;
• Konvertieren eines Any in einen bestimmten Typ;
• Abrufen des Namens eines Typs.

Nachfolgend finden Sie den Quellcode des Any-Traits und des entsprechenden TypeId-Typs:

pub trait Any: 'static {
    fn type_id(&self) -> TypeId;
}

// Implement Any for all types T with 'static lifetime
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
impl<T: 'static + ?Sized> Any for T {
    fn type_id(&self) -> TypeId { TypeId::of::<T>() }
}

// Check if a variable is of a specific type
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[inline]
pub fn is<T: Any>(&self) -> bool {
    let t = TypeId::of::<T>();
    let concrete = self.type_id();
    t == concrete
}

// Convert any to a specific type
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[inline]
pub fn downcast_ref<T: Any>(&self) -> Option<&T> {
    if self.is::<T>() {
        unsafe {
            Some(&*(self as *const dyn Any as *const T))
        }
    } else {
        None
    }
}

// Get the type name
pub const fn type_name<T: ?Sized>() -> &'static str {
    intrinsics::type_name::<T>()
}

#[derive(Clone, Copy, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Debug, Hash)]
pub struct TypeId {
    t: u64,
}

Hinweis: Alle Typen mit einer 'static-Lebensdauer implementieren Any; die Unterstützung für Nicht-'static-Lebensdauern kann in Zukunft in Betracht gezogen werden.

In Rust hat jeder Typ einen global eindeutigen Bezeichner (A TypeId represents a globally unique identifier for a type).

Diese TypeIds werden durch Aufrufen von Funktionen generiert, die im intrinsic-Modul definiert sind.

Über das Intrinsic-Modul:

Intrinsische Bibliotheksfunktionen sind solche, die vom Compiler selbst implementiert werden und typischerweise die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• Stark abhängig von der CPU-Architektur und müssen mit Assembly oder mit Assembly-Unterstützung für optimale Leistung implementiert werden;
• Eng mit dem Compiler verbunden, was die Compiler-Implementierung am besten geeignet macht;

Daher wird die Generierung von type_id durch die Implementierung des Compilers bestimmt!

Für Details siehe: https://github.com/rust-lang/rust/blob/master/compiler/rustc_codegen_llvm/src/intrinsic.rs

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Grundlegende Verwendung von Any

Der vorherige Abschnitt erwähnte, dass Any Folgendes ermöglicht:

• Abrufen der TypeId einer Variablen;
• Überprüfen, ob eine Variable von einem bestimmten Typ ist;
• Konvertieren eines Any in einen bestimmten Typ;
• Abrufen des Namens eines Typs;

Betrachten wir ein konkretes Beispiel:

use std::any::{Any, TypeId};

struct Person {
    pub name: String,
}

/// Get TypeId
fn is_string(s: &dyn Any) -> bool {
    TypeId::of::<String>() == s.type_id()
}

/// Check if it is a specific type
fn check_string(s: &dyn Any) {
    if s.is::<String>() {
        println!("It's a string!");
    } else {
        println!("Not a string...");
    }
}

/// Convert Any to a specific type
fn print_if_string(s: &dyn Any) {
    if let Some(ss) = s.downcast_ref::<String>() {
        println!("It's a string({}): '{}'", ss.len(), ss);
    } else {
        println!("Not a string...");
    }
}

/// Get type name
/// Note: the returned name is not unique!
/// For example, type_name::<Option<String>>() may return "Option<String>" or "std::option::Option<std::string::String>"
/// and may vary with compiler versions
fn get_type_name<T>(_: &T) -> String {
    std::any::type_name::<T>().to_string()
}

fn main() {
    let p = Person { name: "John".to_string() };
    assert!(!is_string(&p));
    assert!(is_string(&p.name));

    check_string(&p);
    check_string(&p.name);

    print_if_string(&p);
    print_if_string(&p.name);

    println!("Type name of p: {}", get_type_name(&p));
    println!("Type name of p.name: {}", get_type_name(&p.name));
}

Ausgabe:

Not a string...
It's a string!
Not a string...
It's a string(4): 'John'
Type name of p: 0_any::Person
Type name of p.name: alloc::string::String

Zusammenfassung:

/// Get TypeId and compare: type_id
TypeId::of::<String>() == s.type_id()

/// Check if it's a specific type: s.is
s.is::<String>()

/// Convert Any to a specific type: s.downcast_ref
s.downcast_ref::<String>()

/// Get type name: type_name::<T>()
/// The returned name is not unique!
/// For example, type_name::<Option<String>>() may return "Option<String>" or "std::option::Option<std::string::String>"
/// and may vary with compiler versions
std::any::type_name::<T>().to_string()

Anwendungsfälle für Any

In Rust ist Any ähnlich wie Java's Object—Sie können jeden Typ übergeben, der eine 'static-Lebensdauer hat.

Daher können wir in Szenarien, in denen Funktionsparameter komplex sind, diese mit Any vereinfachen.

Zum Beispiel, um den Wert eines beliebigen Typs auszugeben:

use std::any::Any;
use std::fmt::Debug;

#[derive(Debug)]
struct MyType {
    name: String,
    age: u32,
}

fn print_any<T: Any + Debug>(value: &T) {
    let value_any = value as &dyn Any;

    if let Some(string) = value_any.downcast_ref::<String>() {
        println!("String ({}): {}", string.len(), string);
    } else if let Some(MyType { name, age }) = value_any.downcast_ref::<MyType>() {
        println!("MyType ({}, {})", name, age)
    } else {
        println!("{:?}", value)
    }
}

fn main() {
    let ty = MyType {
        name: "Rust".to_string(),
        age: 30,
    };
    let name = String::from("Rust");

    print_any(&ty);
    print_any(&name);
    print_any(&30);
}

Wie oben gezeigt, können sowohl String, ein benutzerdefinierter MyType oder ein eingebauter i32 ausgegeben werden, solange sie das Debug-Trait implementieren.

Sie können sich dies als eine Art Funktionsüberladung in Rust vorstellen. Es ist auch nützlich, wenn komplexe strukturierte Konfigurationen gelesen werden – Sie können direkt Any verwenden.

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Zusammenfassung

Die any-Funktion ist keine echte Laufzeitreflexion – sie ist höchstens Compile-Time-Reflexion. Rust ermöglicht lediglich die Typprüfung und Typkonvertierung, nicht aber die Introspektion beliebiger Strukturen.

Der any-Mechanismus passt zur Philosophie der Zero-Cost-Abstraktion, da Rust nur Code für die Typen generiert, die die relevanten Funktionen tatsächlich aufrufen. Bei der Typprüfung wird die vom Compiler intern verwaltete Typ-ID ohne zusätzlichen Overhead zurückgegeben. Sie können sogar TypeId::of::<String>() direkt verwenden und so den dynamischen Bindungs-Overhead von dyn Any vermeiden.

Obwohl Rust keine Reflexion bietet, können prozedurale Makros die meisten Funktionen implementieren, die Reflexion ermöglicht!

In der Tat boten frühe Versionen von Rust Reflexionsfunktionen, aber der zugehörige Code wurde 2014 entfernt. Die Gründe waren:

• Reflexion brach das ursprüngliche Prinzip der Einkapselung, indem sie beliebigen Zugriff auf den Inhalt einer Struktur ermöglichte, was sie unsicher machte;
• Das Vorhandensein von Reflexion blähte die Codebasis auf – das Entfernen vereinfachte den Compiler erheblich;
• Das Design des Reflexionssystems war relativ schwach, und die Entwickler waren unsicher, ob zukünftige Versionen von Rust es noch enthalten sollten;

Was den Grund für die Beibehaltung von Any betrifft:

• Beim Debuggen von Code mit generischen Typen erleichtert TypeId die Arbeit und ermöglicht klarere Fehlermeldungen;
• Es hilft dem Compiler, die Codegenerierung zu optimieren.

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