面试题：Rust中trait对象实现动态派发的基本原理

Question

请阐述在Rust中，trait对象是如何实现动态派发的？举例说明如何定义一个trait和基于该trait的trait对象，并通过trait对象调用trait方法。

Answer 1

1. Trait对象动态派发原理

在Rust中，trait对象通过胖指针（fat pointer）来实现动态派发。胖指针实际上包含两个部分：一个指向数据的指针，另一个指向虚表（vtable）的指针。虚表是一个函数指针的列表，其中每个函数指针对应trait中定义的方法。当通过trait对象调用方法时，Rust运行时系统会根据虚表找到对应的函数指针，并调用相应的函数，从而实现动态派发。

2. 定义trait和trait对象示例

// 定义一个trait
trait Animal {
    fn speak(&self);
}

// 定义实现Animal trait的结构体
struct Dog;
impl Animal for Dog {
    fn speak(&self) {
        println!("Woof!");
    }
}

struct Cat;
impl Animal for Cat {
    fn speak(&self) {
        println!("Meow!");
    }
}

fn main() {
    // 创建trait对象
    let animals: Vec<Box<dyn Animal>> = vec![Box::new(Dog), Box::new(Cat)];

    // 通过trait对象调用trait方法
    for animal in animals {
        animal.speak();
    }
}

在上述代码中：

• 首先定义了 Animal trait，包含一个 speak 方法。
• 然后定义了 Dog 和 Cat 结构体，并为它们实现了 Animal trait。
• 在 main 函数中，创建了一个包含 Box<dyn Animal> 的 Vec，这就是trait对象的集合。Box<dyn Animal> 表示指向实现了 Animal trait 的动态大小类型的指针。
• 最后通过遍历 animals 向量，调用每个trait对象的 speak 方法，实现了动态派发。