我如何处理 Rust 中的包装器类型不变性？

Question

对 &Rc<T> 和 &Box<T> 等包装类型的引用在 T 中是不变的（&Rc<T> 不是 &Rc<U>，即使 T是一个 U)。问题的具体例子(Rust Playground):

use std::rc::Rc;
use std::rc::Weak;

trait MyTrait {}

struct MyStruct {
}

impl MyTrait for MyStruct {}

fn foo(rc_trait: Weak<MyTrait>) {}

fn main() {
    let a = Rc::new(MyStruct {});
    foo(Rc::downgrade(&a));
}

此代码导致以下错误：

<anon>:15:23: 15:25 error: mismatched types:
 expected `&alloc::rc::Rc<MyTrait>`,
    found `&alloc::rc::Rc<MyStruct>`

Box<T> (Rust Playground) 的类似示例（有类似错误）：

trait MyTrait {}

struct MyStruct {
}

impl MyTrait for MyStruct {}

fn foo(rc_trait: &Box<MyTrait>) {}

fn main() {
    let a = Box::new(MyStruct {});
    foo(&a);
}

在这些情况下，我当然可以只用所需的类型注释 a，但在许多情况下这是不可能的，因为还需要原始类型。那我该怎么办？

Answer 1

在 Rc::downgrade 的情况下，这实际上只是在这种特殊情况下类型推断的失败，如果它作为一个单独的 let 来完成，它将起作用：

fn foo(rc_trait: Weak<MyTrait>) {}

fn main() {
    let a = Rc::new(MyStruct {});
    let b = Rc::downgrade(&a);
    foo(b);
}

Playground

对于 Box<T> 很可能您实际上并不希望将框的引用作为参数，而是对内容的引用。在这种情况下没有不变性需要处理：

fn foo(rc_trait: &MyTrait) {}

fn main() {
    let a = Box::new(MyStruct {});
    foo(a.as_ref());
}

Playground

类似地，对于 Rc<T> 的情况，如果您编写一个接受 Rc<T> 的函数，您可能需要一个克隆（即引用计数引用），而不是普通引用：

fn foo(rc_trait: Rc<MyTrait>) {}

fn main() {
    let a = Rc::new(MyStruct {});
    foo(a.clone());
}

Playground

Answer 2

您在这里看到的与方差和子类型完全无关。

首先，关于 Rust 子类型化的信息最丰富的读物是 Nomicon 的 this chapter。你可以在那里发现 Rust 的子类型关系（即当你可以将一种类型的值传递给一个函数或一个期望 different 类型的变量的变量时）是非常有限的。只有在处理生命周期时才能观察到。

例如，下面的一段代码显示了 &Box<T> 究竟是 (co)variant:

fn test<'a>(x: &'a Box<&'a i32>) {}

fn main() {
    static X: i32 = 12;
    let xr: &'static i32 = &X;
    let xb: Box<&'static i32> = Box::new(xr);  // <---- start of box lifetime
    let xbr: &Box<&'static i32> = &xb;
    test(xbr);  // Covariance in action: since 'static is longer than or the 
                // same as any 'a, &Box<&'static i32> can be passed to
                // a function which expects &'a Box<&'a i32>
                //
                // Note that it is important that both "inner" and "outer"
                // references in the function signature are defined with
                // the same lifetime parameter, and thus in `test(xbr)` call
                // 'a gets instantiated with the lifetime associated with
                // the scope I've marked with <----, but nevertheless we are
                // able to pass &'static i32 as &'a i32 because the
                // aforementioned scope is less than 'static, therefore any
                // shared reference type with 'static lifetime is a subtype of
                // a reference type with the lifetime of that scope
}  // <---- end of box lifetime

这个程序可以编译，这意味着 & 和 Box 在它们各自的类型和生命周期参数上都是协变的。

与大多数 "conventional" OOP 语言不同，它们具有 classes/interfaces，如 C++ 和 Java，在 Rust 特征中 不引入子类型关系 。尽管，比如说，

trait Show {
    fn show(&self) -> String;
}

非常相似

interface Show {
    String show();
}

在某些语言中，如Java，它们在语义上是完全不同的。在 Rust bare trait 中，当用作类型时，never 是实现此特征的任何类型的超类型：

impl Show for i32 { ... }

// the above does not mean that i32 <: Show

Show，虽然是一个trait，确实可以用在type位置，但是它表示一个特殊的unsized type 只能用来组成 trait objects。您不能拥有裸特征类型的值，因此谈论带有裸特征类型的子类型和方差甚至没有意义。

特征对象采用 &SomeTrait 或 &mut SomeTrait 或 SmartPointer<SomeTrait> 的形式，它们可以传递并存储在变量中，它们需要抽象出特征的实际实现。但是，&T 其中 T: SomeTrait 不是 &SomeTrait 的子类型，并且这些类型根本不参与方差。

Trait 对象和常规指针具有不兼容的内部结构：&T 只是一个指向具体类型 T 的常规指针，而 &SomeTrait 是一个包含指向的指针的胖指针实现 SomeTrait 的类型的原始值以及用于实现上述类型的 SomeTrait 的第二个 vtable 指针。

将 &T 作为 &SomeTrait 或 Rc<T> 作为 Rc<SomeTrait> 传递的事实发生是因为 Rust 会 自动强制转换 引用和智能指针：如果它知道 T，它能够为常规引用 &T 构造一个胖指针 &SomeTrait；我相信这是很自然的。例如，您使用 Rc::downgrade() 的示例有效，因为 Rc::downgrade() returns 类型 Weak<MyStruct> 的值被强制转换为 Weak<MyTrait>.

然而，如果 T: SomeTrait 从 &Box<T> 构造 &Box<SomeTrait> 就复杂得多：一方面，编译器需要分配一个 new 临时值，因为 Box<T> 和 Box<SomeTrait> 具有不同的内存表示。如果你有，比如说，Box<Box<T>>，从中得到 Box<Box<SomeTrait>> 就更复杂了，因为它需要 在堆上创建一个新分配 来存储 Box<SomeTrait>。因此，嵌套引用和智能指针没有自动强制转换，而且，这与子类型化和变体完全无关。

我如何处理 Rust 中的包装器类型不变性？

How do I deal with wrapper type invariance in Rust?

rust

wrapper

invariance