使用泛型参数对特征进行 Rust 动态调度

Question

我有以下 Rust Playground permalink

来自我的关注Ray Tracing in a Weekend。

在实现材料时，我选择创建一个特征Material。

我的想法是，世界上的物体将具有material 属性，并且在射线上Hit Hit 可以查看物体并按需请求材料。这适用于我的 Normal 特质，它遵循类似的想法。我用动态调度实现了这一切，尽管我认为我已经掌握了足够的能力，也可以用 trait bounds 静态地完成它。

在链接代码中，您会看到第 13 行，我要求那些实现 Normal 的人有一个返回 Material 的方法。这表明现在Normal 不再有资格成为特征对象error[E0038]: the traitNormalcannot be made into an object

如果我从this 这样的问题中正确理解，似乎由于泛型是单态的，Rust 运行时不可能泄露material 的适当方法，因为表面上可能对于实现@ 的每种类型都有一个不同的方法987654335@?这似乎不太符合我的要求，因为看起来，放在与 Rust 运行时相同的位置，我将能够查看我手头的 Normal 实现者，比如 Sphere 并说我将查看Sphere 的vtable。你能解释一下我在哪里错了吗？

从那里，我尝试简单地与编译器抗争并进行静态调度。 第 17-21 行

struct Hit<'a> {
    point: Vec3,
    distance: f32,
    object: &'a dyn Normal,
}

成为

struct Hit<'a, T: Normal> {
    point: Vec3,
    distance: f32,
    object: &'a T,
}

从那里开始，我试图一个接一个地堵住一个又一个洞，似乎看不到尽头。

除了了解我目前的理解存在根本性错误之外，我还可以做哪些不同的设计选择？

Answer 1

我可能遗漏了一些东西，但我认为你可以 - 至少从我所看到的 - 沿着你的道路走得更远。

我认为您可以更改此功能：

fn material<T: Material>(&self) -> T;

就目前而言，它说：任何Normal 都提供了一个函数material，调用者可以指定该函数将返回的Material。

但是（我认为）您要声明的是：任何Normal 都有一个可以由调用者请求的材料。但是调用者无权指定将返回的任何Material。要将其转换为代码，您可以声明：

fn material(&self) -> &dyn Material;

这表明material 返回一个Material（作为特征对象）。

那么，Sphere 可以实现Normal：

impl<'a> Normal for Sphere<'a> {
    fn normal(&self, point: &Vec3) -> Ray {
        Ray::new(point, &(point - &self.center))
    }
    fn material(&self) -> &dyn Material {
        self.material
    }
}

Link to playground.

Answer 2

放在与 Rust 运行时相同的位置，我可以立即查看我手头的 Normal 实现器，说 Sphere 并说我将查看 Sphere 的 vtable

除了这里 Rust 运行时无能为力。

事实上，Rust 没有“执行代码的东西”意义上的运行时。 Rust 运行时只执行设置和清理任务，但只要控制流在您的 main 函数中的某个位置，您就只能靠自己了（在 no_std 环境中，即使这样也不存在）。因此，每个动态调度都必须通过将 vtable 指针放置在数据指针旁边来烘焙到类型中 - 有关更多详细信息，请参阅 this documentation。

但是，正如您已经说过的那样，由于泛型是单态的，因此对于 Normal 的每个实现都不会有一个 fn material：将有一个未知的，可能是无限的这些函数系列，一个对于实现Material 的每种类型。请注意“未知，可能无限”位：由于您不能泄漏私有部分，因此如果 Normal 特征是公开的，则 Material 特征也必须是公开的 - 然后没有什么会阻止您的代码的用户添加Material 的另一种实现，您的代码不知道，它根本无法被烘焙到 dyn Normal 的 vtable 中。

这就是为什么泛型方法不是对象安全的。它们不适合 trait 对象 vtable，因为在创建 trait 对象时我们并不知道它们。