14 | 类型系统：有哪些必须掌握的trait？
你好，我是陈天。 开发软件系统时，我们弄清楚需求，要对需求进行架构上的分析和设计。在这个过程中，合理地定义和使用 trait，会让代码结构具有很好的扩展性，让系统变得非常灵活。 之前在 get hands dirty 系列中就粗略见识到了 trait 的巨大威力，使用了 From/TryFrom trait 进行类型间的转换（[第 5 讲]），还使用了 Deref trait （[第 6 讲]）让类型在不暴露其内部结构代码的同时，让内部结构的方法可以对外使用。 经过上两讲的学习，相信你现在对trait 的理解就深入了。在实际解决问题的过程中，用好这些 trait，会让你的代码结构更加清晰，阅读和使用都更加符合 Rust 生态的习惯。比如数据结构实现了 Debug trait，那么当你想打印数据结构时，就可以用 {:?} 来打印；如果你的数据结构实现了 From，那么，可以直接使用 into() 方法做数据转换。
trait
Rust 语言的标准库定义了大量的标准 trait，来先来数已经学过的，看看攒了哪些：
- Clone/Copy trait，约定了数据被深拷贝和浅拷贝的行为；
- Read/Write trait，约定了对 I/O 读写的行为；
- Iterator，约定了迭代器的行为；
- Debug，约定了数据如何被以 debug 的方式显示出来的行为；
- Default，约定数据类型的缺省值如何产生的行为；
- From/TryFrom，约定了数据间如何转换的行为。 我们会再学习几类重要的 trait，包括和内存分配释放相关的 trait、用于区别不同类型协助编译器做类型安全检查的标记 trait、进行类型转换的 trait、操作符相关的 trait，以及
Debug/Display/Default。 在学习这些 trait的过程中，你也可以结合之前讲的内容，有意识地思考一下Rust为什么这么设计，在增进对语言理解的同时，也能写出更加优雅的 Rust 代码。
内存相关：Clone/Copy/Drop
首先来看内存相关的 Clone/Copy/Drop。这三个 trait 在介绍所有权的时候已经学习过，这里我们再深入研究一下它们的定义和使用场景。
Clone trait
首先看 Clone： Clone trait 有两个方法， clone() 和 clone_from() ，后者有缺省实现，所以平时我们只需要实现 clone() 方法即可。你也许会疑惑，这个 clone_from() 有什么作用呢？因为看起来 a.clone_from(&b) ，和 a = b.clone() 是等价的。 其实不是，如果 a 已经存在，在 clone 过程中会分配内存，那么用 a.clone_from(&b) 可以避免内存分配，提高效率。 Clone trait 可以通过派生宏直接实现，这样能简化不少代码。如果在你的数据结构里，每一个字段都已经实现了Clone trait，你可以用 #[derive(Clone)] ，看下面的代码，定义了 Developer 结构和 Language 枚举： 如果没有为 Language 实现 Clone 的话，Developer 的派生宏 Clone 将会编译出错。运行这段代码可以看到，对于 name，也就是 String 类型的 Clone，其堆上的内存也被 Clone 了一份，所以 Clone 是深度拷贝，栈内存和堆内存一起拷贝。 值得注意的是，clone 方法的接口是 &self，这在绝大多数场合下都是适用的，我们在 clone 一个数据时只需要有已有数据的只读引用。但对 **Rc** 这样在 **clone()** 时维护引用计数的数据结构，**clone()**** 过程中会改变自己，所以要用 **Cell** 这样提供内部可变性的结构来进行改变**，如果你也有类似的需求，可以参考。
Copy trait
和 Clone trait 不同的是，Copy trait 没有任何额外的方法，它只是一个标记 trait（marker trait）。它的 trait 定义： 所以看这个定义，如果要实现 Copy trait 的话，必须实现 Clone trait，然后实现一个空的 Copy trait。你是不是有点疑惑：这样不包含任何行为的 trait 有什么用呢？ 这样的 trait 虽然没有任何行为，但它可以****用作 trait bound 来进行类型安全检查，所以我们管它叫标记 trait。 和 Clone 一样，如果数据结构的所有字段都实现了 Copy，也可以用 #[derive(Copy)] 宏来为数据结构实现 Copy。试着为 Developer 和 Language 加上 Copy： 这个代码会出错。因为 **String** 类型没有实现 **Copy**。 因此，Developer 数据结构只能 clone，无法 copy。我们知道，如果类型实现了 Copy，那么在赋值、函数调用的时候，值会被拷贝，否则所有权会被移动。 所以上面的代码 Developer 类型在做参数传递时，会执行 Move 语义，而 Language 会执行 Copy 语义。 在讲所有权可变/不可变引用的时候提到，不可变引用实现了 Copy，而可变引用 &mut T 没有实现 Copy。为什么是这样？ 因为如果可变引用实现了 Copy trait，那么生成一个可变引用然后把它赋值给另一个变量时，就会违背所有权规则：同一个作用域下只能有一个可变引用。可见，Rust 标准库在哪些结构可以 Copy、哪些不可以 Copy 上，有着仔细的考量。
Drop trait
在内存管理中已经详细探讨过 Drop trait。这里我们再看一下它的定义： 大部分场景无需为数据结构提供 Drop trait，系统默认会依次对数据结构的每个域做 drop。但有两种情况你可能需要手工实现 Drop。 第一种是希望在数据结束生命周期的时候做一些事情，比如记日志。 第二种是需要对资源回收的场景。编译器并不知道你额外使用了哪些资源，也就无法帮助你 drop 它们。比如说锁资源的释放，在 MutexGuard 中实现了 Drop 来释放锁资源： 需要注意的是，Copy trait 和 Drop trait 是互斥的，两者不能共存，当你尝试为同一种数据类型实现 Copy 时，也实现 Drop，编译器就会报错。这其实很好理解：Copy是按位做浅拷贝，那么它会默认拷贝的数据没有需要释放的资源；而Drop恰恰是为了释放额外的资源而生的。 我们还是写一段代码来辅助理解，在代码中，强行用 Box::into_raw 获得堆内存的指针，放入 RawBuffer 结构中，这样就接管了这块堆内存的释放。 虽然 RawBuffer 可以实现 Copy trait，但这样一来就无法实现 Drop trait。如果程序非要这么写，会导致内存泄漏，因为该释放的堆内存没有释放。 但是这个操作不会破坏 Rust 的正确性保证：即便你 Copy 了 N 份 RawBuffer，由于无法实现 Drop trait，RawBuffer 指向的那同一块堆内存不会释放，所以不会出现 use after free 的内存安全问题。（代码） into_boxed_slice() 方法则用于将一个 Vec<T> 转换成一个 Box<[T]>，即将 Vec<T> 的数据从堆上的可变数组转换为堆上的不可变数组。 slice::from_raw_parts_mut 是 Rust 标准库中的一个函数，用于从一个原始指针（*mut T）和一个长度创建一个可变切片 (&mut [T])。 slice::from_raw_parts 用于从原始指针（*const T 或 *mut T）和长度信息创建一个切片（&[T] 或 &mut [T]）。它将原始指针和一个长度值转化为一个切片，这使得你可以安全地在 Rust 中操作原始内存，尽管切片本身是不可变的或可变的，取决于传入的指针类型。 Box::from_raw 是 Rust 中 Box 类型的一个函数，它可以将原始指针（*mut T）转换为一个 Box<T>，并且负责管理该指针所指向的内存。 对于代码安全来说，内存泄漏危害大？还是 use after free 危害大呢？肯定是后者。Rust 的底线是内存安全，所以两害相权取其轻。 实际上，任何编程语言都无法保证不发生人为的内存泄漏，比如程序在运行时，开发者疏忽了，对哈希表只添加不删除，就会造成内存泄漏。但 Rust 会保证即使开发者疏忽了，也不会出现内存安全问题。 建议你仔细阅读这段代码中的注释，试着把注释掉的 Drop trait 恢复，然后再把代码改得可以编译通过，认真思考一下 Rust 这样做的良苦用心。
标记 trait：Sized/Send/Sync/Unpin
好，讲完内存相关的主要 trait，来看标记 trait。 刚才我们已经看到了一个标记 trait：Copy。Rust 还支持其它几种标记 trait：Sized/Send/Sync/Unpin。 Sized trait 用于标记有具体大小的类型。在使用泛型参数时，Rust 编译器会自动为泛型参数加上 Sized 约束，比如下面的 Data 和处理 Data 的函数 process_data： 它等价于： 大部分时候，我们都希望能自动添加这样的约束，因为这样定义出的泛型结构，在编译期，大小是固定的，可以作为参数传递给函数。如果没有这个约束，T 是大小不固定的类型， process_data 函数会无法编译。 但是这个自动添加的约束有时候不太适用，在少数情况下，需要 T 是可变类型的，怎么办？Rust 提供了 **?Sized** 来摆脱这个约束。 如果开发者显式定义了T: ?Sized，那么 T 就可以是任意大小。如果你对（[第12讲]）之前说的 Cow 还有印象，可能会记得 Cow 中泛型参数 B 的约束是 ?Sized： 这样 B 就可以是 [T] 或者 str 类型，大小都是不固定的。要注意 Borrowed(&‘a B) 大小是固定的，因为它内部是对 B 的一个引用，而引用的大小是固定的。
Send/Sync
说完了 Sized，我们再来看 Send/Sync，定义是： 这两个 trait 都是 unsafe auto trait，auto 意味着编译器会在合适的场合，自动为数据结构添加它们的实现，而 unsafe 代表实现的这个 trait 可能会违背 Rust 的内存安全准则，如果开发者手工实现这两个 trait ，要自己为它们的安全性负责。 Send/Sync 是 Rust 并发安全的基础：
- 如果一个类型
T实现了 Send trait，意味着T可以安全地从一个线程移动到另一个线程，也就是说所有权可以在线程间移动。 - 如果一个类型
T实现了 Sync trait，则意味着&T可以安全地在多个线程中共享。一个类型 T 满足 Sync trait，当且仅当&T满足 Send trait。 对于 Send/Sync 在线程安全中的作用，可以这么看，如果一个类型**T: Send**，那么 T 在某个线程中的独占访问是线程安全的；如果一个类型**T: Sync**，那么 T 在线程间的只读共享是安全的。 对于我们自己定义的数据结构，如果其内部的所有域都实现了 Send/Sync，那么这个数据结构会被自动添加 Send/Sync 。基本上原生数据结构都支持 Send/Sync，也就是说，绝大多数自定义的数据结构都是满足 Send/Sync 的。标准库中，不支持 Send/Sync 的数据结构主要有： - 裸指针
*const T/*mut T。它们是不安全的，所以既不是 Send 也不是 Sync。 UnsafeCell不支持 Sync。也就是说，任何使用了 Cell 或者 RefCell 的数据结构不支持 Sync。- 引用计数
Rc不支持 Send 也不支持 Sync。所以Rc无法跨线程。 之前介绍过 Rc/RefCell（[第9讲]），我们来看看，如果尝试跨线程使用 Rc/RefCell，会发生什么。在 Rust 下，如果想创建一个新的线程，需要使用 std:🧵:spawn： 它的参数是一个闭包（后面会讲），这个闭包需要Send+‘static： ‘static意思是闭包捕获的自由变量必须是一个拥有所有权的类型，或者是一个拥有静态生命周期的引用；Send意思是，这些被捕获自由变量的所有权可以从一个线程移动到另一个线程。 从这个接口上，可以得出结论：如果在线程间传递Rc，是无法编译通过的，因为 Rc 的实现不支持 Send 和 Sync。写段代码验证一下（代码）： 果然，这段代码不通过。
那么，RefCell可以在线程间转移所有权么？RefCell 实现了 Send，但没有实现 Sync，所以，看起来是可以工作的（代码）： 验证一下发现，这是 OK 的。 既然 Rc 不能 Send，我们无法跨线程使用Rc> 这样的数据，那么使用支持 Send/Sync 的 Arc呢，使用Arc> 来获得，一个可以在多线程间共享，且可以修改的类型，可以么（代码）？ 不可以。 因为Arc内部的数据是共享的，需要支持Sync的数据结构，但是RefCell不是Sync，编译失败。所以在多线程情况下，我们只能使用支持 Send/Sync 的Arc，和Mutex一起，构造一个可以在多线程间共享且可以修改的类型（代码）： 这几段代码建议你都好好阅读和运行一下，对于编译出错的情况，仔细看看编译器给出的错误，会帮助你理解好 Send/Sync trait 以及它们如何保证并发安全。 在 Rust 中，Arc<T>（Atomic Reference Counted）是一个智能指针类型，它提供了一个线程安全的、引用计数的指针，用于在多个线程之间共享数据。Arc类型的主要用途是允许多个线程拥有同一份数据的所有权，并通过引用计数（reference counting）来管理内存的生命周期。
**Arc<T>**** 类型**
Arc<T> 是 std::sync 模块中的一个类型，它提供了类似于 Rc<T>（非线程安全的引用计数智能指针）的一些功能，但是 Arc<T> 是线程安全的，适用于多线程环境。Arc 通过原子操作来确保线程安全的引用计数。 Arc 的定义和功能
- 线程安全：
Arc使用原子操作来管理引用计数，这使得它在多个线程之间使用时是线程安全的。不同于Rc，Arc可以在多个线程中共享，并且每次引用计数的修改都使用原子操作（AtomicUsize）来确保线程之间的同步。 - 只读数据：与
Rc类似，Arc中的数据是不可变的，即只能通过不可变引用访问。这是因为多个线程可能同时访问同一份数据，为了避免数据竞争和未定义行为，Arc只允许共享数据的只读访问。如果需要修改数据，通常会结合使用Mutex<T>或RwLock<T>来进行同步。 - 引用计数：
Arc使用引用计数来管理内存。当Arc的引用计数减少到零时，所包含的数据会被自动释放。**Arc<T>**** 的常见用法**Arc<T>通常与Mutex<T>或RwLock<T>等同步原语一起使用，以便多个线程可以共享和修改数据。以下是一个典型的例子，展示了如何在多线程环境中使用Arc和Mutex： Arc::new(Mutex::new(0))：创建一个Arc，它包含一个Mutex，而Mutex内部存储了一个整数。这里的Mutex是用来保证多线程访问时的互斥。Arc::clone(&counter)：使用Arc::clone创建一个新的Arc，以便在多个线程中共享同一个Arc指针。counter_clone.lock().unwrap()：通过Mutex获取一个锁，并对其内容进行修改。thread::spawn：每个线程都会增加counter的值。
**Arc<T>**** 与 **Rc<T>** 的区别**
特性 Rc<T>Arc<T>
线程安全 否 是
用途 主要用于单线程环境 主要用于多线程环境
引用计数机制 非原子操作 原子操作（线程安全）
内存管理 不支持多线程访问 支持多线程访问并保证线程安全
如何使用 Arc<T>：
Arc在多线程环境中用于共享数据。Arc使用引用计数来管理内存，确保当最后一个引用被丢弃时，内存自动释放。Arc本身是不可变的，且通常与Mutex<T>、RwLock<T>等同步原语配合使用，以确保在多线程环境中对数据的安全访问。Arc<T>组合使用Mutex<T>或RwLock<T>。由于Arc<T>本身是不可变的，因此当你需要在多个线程中共享并修改数据时，通常会使用Arc<T>包装一个Mutex<T>或RwLock<T>。这使得多线程可以通过锁机制来安全地访问和修改数据。- 使用
Arc<Mutex<T>>：Mutex确保同一时刻只有一个线程可以访问数据，从而避免数据竞争。 - 使用
Arc<RwLock<T>>：RwLock允许多个线程读取数据，但在写数据时只允许一个线程访问。这对于读多写少的场景非常有效。 最后一个标记 traitUnpin，是用于自引用类型的，在后面讲到 Future trait 时，再详细讲这个 trait。
类型转换相关：From/Into/AsRef/AsMut
好，学完了标记 trait，来看看和类型转换相关的 trait。在软件开发的过程中，我们经常需要在某个上下文中，把一种数据结构转换成另一种数据结构。 不过转换有很多方式，看下面的代码，你觉得哪种方式更好呢？ 第一种方式，在类型 T 的实现里，要为每一种可能的转换提供一个方法；第二种，我们为类型 T 和类型 U 之间的转换实现一个数据转换 trait，这样可以用同一个方法来实现不同的转换。 显然，第二种方法要更好，因为它符合软件开发的开闭原则（Open-Close Principle），“软件中的对象（类、模块、函数等等）对扩展是开放的，但是对修改是封闭的”。 在第一种方式下，未来每次要添加对新类型的转换，都要重新修改类型 T 的实现，而第二种方式，我们只需要添加一个对于数据转换 trait 的新实现即可。 基于这个思路，对值类型的转换和对引用类型的转换，Rust 提供了两套不同的 trait：
- 值类型到值类型的转换：From/Into/TryFrom/TryInto
- 引用类型到引用类型的转换：AsRef/AsMut
From/Into
先看 From 和 Into。这两个 trait 的定义如下： 在实现 From 的时候会自动实现 Into。这是因为： 所以大部分情况下，只用实现 From，然后这两种方式都能做数据转换，比如： 这两种方式是等价的，怎么选呢？From 可以根据上下文做类型推导，使用场景更多；而且因为实现了 From 会自动实现 Into，反之不会。所以需要的时候，不要去实现 Into，只要实现 From 就好了。 此外，From 和 Into 还是自反的：把类型 T 的值转换成类型 T，会直接返回。这是因为标准库有如下的实现： 有了 From 和 Into，很多函数的接口就可以变得灵活，比如函数如果接受一个 IpAddr 为参数，我们可以使用 Into 让更多的类型可以被这个函数使用，看下面的代码： 所以，合理地使用 From/Into，可以让代码变得简洁，符合 Rust 可读性强的风格，更符合开闭原则。 注意，如果你的数据类型在转换过程中有可能出现错误，可以使用 TryFrom 和 TryInto，它们的用法和 From/Into 一样，只是 trait 内多了一个关联类型 Error，且返回的结果是 Result。
AsRef/AsMut
搞明白了 From/Into 后，AsRef 和 AsMut 就很好理解了，用于从引用到引用的转换。还是先看它们的定义： 在 trait 的定义上，都允许 T 使用大小可变的类型，如 str、[u8] 等。AsMut 除了使用可变引用生成可变引用外，其它都和 AsRef 一样，所以我们重点看 AsRef。 看标准库中打开文件的接口 std::fs::File::open： 它的参数 path 是符合 AsRef 的类型，所以，你可以为这个参数传入 String、&str、PathBuf、Path 等类型。而且，当你使用 path.as_ref() 时，会得到一个 &Path。 来写一段代码体验一下 AsRef 的使用和实现（代码）： 现在对在 Rust 下，如何使用 From/Into/AsRef/AsMut 进行类型间转换，有了深入了解，未来我们还会在实战中使用到这些 trait。 刚才的小例子中要额外说明一下的是，如果你的代码出现 v.as_ref().clone() 这样的语句，也就是说你要对 v 进行引用转换，然后又得到了拥有所有权的值，那么你应该实现 From，然后做 v.into()。
操作符相关：Deref/DerefMut
操作符相关的 trait ，上一讲我们已经看到了 Add trait，它允许你重载加法运算符。Rust 为所有的运算符都提供了 trait，你可以为自己的类型重载某些操作符。这里用下图简单概括一下，更详细的信息你可以阅读官方文档。
今天重点要介绍的操作符是 Deref 和 DerefMut。来看它们的定义： 可以看到，DerefMut “继承”了 Deref，只是它额外提供了一个 deref_mut 方法，用来获取可变的解引用。所以这里重点学习 Deref。 对于普通的引用，解引用很直观，因为它只有一个指向值的地址，从这个地址可以获取到所需要的值，比如下面的例子： 但对智能指针来说，拿什么域来解引用就不那么直观了，我们来看之前学过的 Rc 是怎么实现 Deref 的： 可以看到，它最终指向了堆上的 RcBox 内部的 value 的地址，然后如果对其解引用的话，得到了 value 对应的值。以下图为例，最终打印出 v = 1。 
从图中还可以看到，Deref 和 DerefMut 是自动调用的，*b 会被展开为 *(b.deref())。 在 Rust 里，绝大多数智能指针都实现了 Deref，我们也可以为自己的数据结构实现 Deref。看一个例子（代码）： 但是在这个例子里，数据结构 Buffer 包裹住了 Vec，但这样一来，原本 Vec 实现了的很多方法，现在使用起来就很不方便，需要用 buf.0 来访问。怎么办？ **可以实现 Deref 和 DerefMut，这样在解引用的时候，直接访问到 ****buf.0**，省去了代码的啰嗦和数据结构内部字段的隐藏。 在这段代码里，还有一个值得注意的地方：写 buf.sort() 的时候，并没有做解引用的操作，为什么会相当于访问了 buf.0.sort() 呢？这是因为 sort() 方法第一个参数是 &mut self，此时 Rust 编译器会强制做 Deref/DerefMut 的解引用，所以这相当于 (*(&mut buf)).sort()。
其它：Debug/Display/Default
现在我们对运算符相关的 trait 有了足够的了解，最后来看看其它一些常用的 trait：Debug/Display/Default。 先看 Debug/Display，它们的定义如下： 可以看到，Debug 和 Display 两个 trait 的签名一样，都接受一个 &self 和一个 &mut Formatter。那为什么要有两个一样的 trait 呢？ 这是因为 Debug 是为开发者调试打印数据结构所设计的，而 Display 是给用户显示数据结构所设计的。这也是为什么 Debug trait 的实现可以通过派生宏直接生成，而 Display 必须手工实现。在使用的时候，Debug 用 {:?} 来打印，Display 用 {} 打印。 最后看 Default trait。它的定义如下： Default trait 用于为类型提供缺省值。它也可以通过 derive 宏 #[derive(Default)] 来生成实现，前提是类型中的每个字段都实现了 Default trait。在初始化一个数据结构时，我们可以部分初始化，然后剩余的部分使用 Default::default()。 Debug/Display/Default 如何使用，统一看个例子（代码）： 它们实现起来非常简单，你可以看文中的代码。 **..**：这是结构体更新语法的一部分，它意味着在创建新的 Developer 实例时，使用结构体的默认值填充除了 name 字段之外的所有字段
小结
今天介绍了内存管理、类型转换、操作符、数据显示等相关的基本 trait，还介绍了标记 trait，它是一种特殊的 trait，主要是用于协助编译器检查类型安全。 
在我们使用 Rust 开发时，trait 占据了非常核心的地位。一个设计良好的 trait 可以大大提升整个系统的可用性和扩展性。 很多优秀的第三方库，都围绕着 trait 展开它们的能力，比如上一讲提到的 tower-service 中的 Service trait，再比如你日后可能会经常使用到的 parser combinator 库 nom 的 Parser trait。 因为 trait 实现了延迟绑定。不知道你是否还记得，之前串讲编程基础概念的时候，就谈到了延迟绑定。在软件开发中，延迟绑定会带来极大的灵活性。 从数据的角度看，数据结构是具体数据的延迟绑定，泛型结构是具体数据结构的延迟绑定；从代码的角度看，函数是一组实现某个功能的表达式的延迟绑定，泛型函数是函数的延迟绑定。那么 trait 是什么的延迟绑定呢？ trait 是行为的延迟绑定。我们可以在不知道具体要处理什么数据结构的前提下，先通过 trait 把系统的很多行为约定好。这也是为什么开头解释标准trait时，频繁用到了“约定……行为”。 相信通过今天的学习，你能对 trait 有更深刻的认识，在撰写自己的数据类型时，就能根据需要实现这些 trait。
思考题
- Vec 可以实现 Copy trait 么？为什么？
- 在使用
Arc时，为什么下面这段代码可以直接使用shared.lock()？lock()本身并不需要你显式地调用Arc::clone()。这是因为shared的所有权已经存在并且被正确处理。这里的lock()操作会给你一个新的MutexGuard，这个MutexGuard是你访问内部数据的工具。调用lock()时，它不会改变Arc的引用计数，它只是让你访问锁内部的数据。 你可以理解为lock()方法不仅会返回一个MutexGuard，它会隐式地处理引用计数和共享所有权。因此你不需要手动克隆Arc，你只需直接使用lock()方法来获取Mutex内部的内容。 在调用lock()后，你获得了一个MutexGuard<i32>，它是一个对Mutex中数据的可变引用。通过*g（解引用）可以访问和修改i32的值，因为MutexGuard持有对数据的可变引用。 - 有余力的同学可以尝试一下，为下面的 List 类型实现 Index，使得所有的测试都能通过。这段代码使用了
std::collections::LinkedList，你可以参考官方文档阅读它支持的方法（代码）： 今天你已经完成了Rust学习的第14次打卡，坚持学习，如果你觉得有收获，也欢迎分享给身边的朋友，邀TA一起讨论。我们下节课见～