代码写明 Rust 中的泛型型变

Variance译作型变或可变性或变体.
表示"泛型类型的子类型关系"如何从"泛型参数的子类型关系"中推导.

定义

无法理解时, 不要深究, 看完后再读一遍此定义即可.

• 假设1 C<T>是一个泛型类或接口, T是类型参数.

• 假设2 类型Dog是Animal的子类型.

• 定义1 Covariance/Covariant译作协变:
  如果C<Dog>是C<Animal>的子类型, 那么C<T>对T协变.

• 定义2 Contravariance/Contravariant译作逆变:
  如果C<Animal>是C<Dog>的子类型, 那么C<T>对T逆变.

• 定义3 Invariance/Invariant译作不变, 或译作抗变:
  C<T>对T既不是协变也不是逆变, 那么C<T>对T不变.

子类型的证明

let mut t1: T1 = make_t1();
let t2: T2 = make_t2();

// 在排除 type coerced 类型强制转换后, 以下证明有效

// 1. 赋值证明
let _t1: T1 = t2; // 证明`T2` 是 `T1` 的子类型
t1 = t2; // 可赋值, 证明`T2` 是 `T1` 的子类型

// 2. 函数调用证明
fn use_t1(v: T1) {}
use_t1(t2); // 实参类型 `T2` 可以替代形参类型 `T1`, 证明 `T2` 是 `T1` 的子类型

函数调用证明的适用范围更广:

• 许多类型写不出, 比如闭包
• 自动推导的生存期写不出
• 许多泛型参数是调用处才能确定类型

必须排除 type coerced 类型强制转换:

let string1: String = String::from("abc");
let str1: &str = &string1; // 不能证明 `&String` 是 `&str` 的子类型

生存期子类型

Rust 没有实际类型 struct, enum 和 union 的继承,
子类型关系只体现在生存期上, 可以通过赋值来证明.

子类型的值可以转型为父类型:

fn lifetime_subtype<'long: 'short, 'short, T: Copy>(a: &'short T, b: &'long T) {
    let _long_to_short: &'short T = b; // 成功 子类型的值可以转型为父类型
}

泛型参数'long: 'short定义'long是'short的子类型,
意味着'long是一个较长的生存期, 它能完全覆盖'short这个较短的生存期,
那么任何一个需要&'short i32的地方(转型,赋值,参数)&'long i32都可以满足的,
所以&'long i32是&'short i32的子类型.

父类型的值不可以转型为子类型:

fn lifetime_subtype<'long: 'short, 'short, T: Copy>(a: &'short T, b: &'long T) {
    let _short_to_long: &'long T = a; // 失败 父类型的值不可以转型为子类型
}

较复杂的代码:

fn lifetime_subtype<'long: 'short, 'short, T: Copy>(a: &'short mut T, b: &'long T) {
    *a = *b;
}
static I_STATIC: i32 = 1; // 其生存期为 'static
fn main() {
    let mut i_1 = 2; // 假设其自动推导生存期为 '1
    {
        let mut i_2 = 3; // 假设其自动推导生存期为 '2
        dbg!(I_STATIC, i_1, i_2);

        //lifetime_subtype(&mut i_1, &i_2); // 无法编译
        lifetime_subtype(&mut i_2, &i_1); // 子类型关系为 `'1: '2` 满足函数泛型条件 `'long: 'short`
        dbg!(i_2);
    }
    lifetime_subtype(&mut i_1, &I_STATIC); // 子类型关系为 `'static: '1`
    dbg!(I_STATIC, i_1);
}

以上代码说明:

1. 许多类型和生存期参数是 rustc 自动推导的, 我们无法明确的写出
2. 自动推导出的生存期符合子类型关系
3. 静态生存期&'static T是任意生存期&'x T的子类型

Rust 协变 逆变 不变

Vec<T>对T协变

编译成功 证明 Vec<&'long i32'> 是 Vec<&'short i32> 的子类型

fn lifetime_covariant<'long: 'short, 'short>(a: &'short i32, b: &'long i32) {
    //! `'long` 是 `'short` 的子类型, `&'long i32` 是 `&'short i32` 的子类型
    let mut vec_long: Vec<&'long i32> = vec![b];
    let mut vec_short: Vec<&'short i32> = vec![a];
    vec_short = vec_long; // 成功
}

编译失败 证明 Vec<&'short i32'> 不是 Vec<&'long i32> 的子类型

fn lifetime_covariant<'long: 'short, 'short>(a: &'short i32, b: &'long i32) {
    let mut vec_long: Vec<&'long i32> = vec![b];
    let mut vec_short: Vec<&'short i32> = vec![a];
    vec_long = vec_short; // 失败
}

Cell<T>对T不变

编译失败 证明 Cell<&'short i32'> 不是 Cell<&'long i32> 的子类型

use std::cell::Cell;
fn lifetime_invariant<'long: 'short, 'short>(a: &'short i32, b: &'long i32) {
    let mut cell_long: Cell<&'long i32> = Cell::new(b);
    let mut cell_short: Cell<&'short i32> = Cell::new(a);
    cell_short = cell_long; // 失败
}

编译失败 证明 Cell<&'long i32'> 不是 Cell<&'short i32> 的子类型

use std::cell::Cell;
fn lifetime_invariant<'long: 'short, 'short>(a: &'short i32, b: &'long i32) {
    let mut cell_long: Cell<&'long i32> = Cell::new(b);
    let mut cell_short: Cell<&'short i32> = Cell::new(a);
    cell_long = cell_short; // 失败
}

Fn<A> -> R对A逆变

编译成功 证明 Fn(&'a str) -> bool 是 Fn(&'static str) -> bool 的子类型

fn lifetime_fn_contravariant<'outer>(str_outer: &'outer str) {
    let str_static: &'static str = "static";

    fn compare_with_static(instr: &'static str) -> bool {
        instr == "abc"
    } // 类型 `Fn(&'static str) -> bool`

    fn make_compare_closure<'x>(a: &'x str) -> impl Fn(&'x str) -> bool {
        return move |instr: &'x str| { instr == a }
    } // 返回值类型 `Fn(&'x str) -> bool`

    struct S<'z>(&'z str);
    impl<'z> S<'z> {
        fn do_compare<F: Fn(&'z str) -> bool>(&self, f: F) -> bool {
            f(self.0)
        }
    }

    let s_static: S<'static> = S("xyz"); // `s_static.do_compare` 参数类型为 `Fn(&'static str) -> bool`
    s_static.do_compare(compare_with_static); // 类型相符, 当然可以用 `Fn(&'static str) -> bool` 做参数
    s_static.do_compare(make_compare_closure(str_static)); // 类型相符
    s_static.do_compare(make_compare_closure(str_outer)); // 逆变, 实参类型为 `Fn(&'outer str) -> bool`

    let s_outer: S<'outer> = S(str_outer); // `s_outer.do_compare` 参数类型为 `Fn(&'outer str) -> bool`
    //s_outer.do_compare(compare_with_static); // 协变失败
    //s_outer.do_compare(make_compare_closure(str_static)); // 协变失败
    s_outer.do_compare(make_compare_closure(str_outer)); // 类型相符

    {
        let string_inner = String::from("inner"); // 命名其生存期为 'inner
        let str_inner: &str = string_inner.as_str();

        s_static.do_compare(make_compare_closure(str_inner)); // 逆变, 实参`Fn(&'inner str) -> bool` 替代形参 `Fn(&'static str) -> bool`
        s_outer.do_compare(make_compare_closure(str_inner));  // 逆变, 实参`Fn(&'inner str) -> bool` 替代形参 `Fn(&'outer str) -> bool`
    }

    // 强制拉长生存期
    s_outer;
    s_static;
    str_outer;
}

Fn<A> -> R对R协变

编译成功 证明 Fn() -> &'static str 是 Fn() -> &'a str 的子类型

fn lifetime_fn_covariant<'outer>(str_outer: &'outer str) {
    let str_static: &'static str = "static";

    fn return_static() -> &'static str {
        "abc"
    } // 类型 `Fn() -> &'static str`

    fn make_return_closure<'x>(a: &'x str) -> impl Fn() -> &'x str {
        return move || { a }
    } // 返回值类型 `Fn() -> &'x str`

    struct S<'z>(&'z str);
    impl<'z> S<'z> {
        fn set_with<F: Fn() -> &'z str>(&mut self, f: F) -> () {
            self.0 = f();
        }
    }

    let mut s_static: S<'static> = S("xyz"); // `s_static.set_with` 参数类型为 `Fn() -> &'static str`
    s_static.set_with(return_static); // 类型相符, 当然可以用 `Fn() -> &'static str` 做参数
    s_static.set_with(make_return_closure(str_static)); // 类型相符
    //s_static.set_with(make_return_closure(str_outer)); // 逆变失败

    let mut s_outer: S<'outer> = S(str_outer); // `s_outer.set_with` 参数类型为 `Fn() -> &'outer str`
    //s_outer.set_with(return_static); // 理论可以协变, 实际会导致 `s_outer` 类型推断成 `S<'static>`, 然后编译失败, 无法达到目的
    s_outer.set_with(make_return_closure(str_static)); // 协变, 实参`Fn() -> &'static str` 替代形参 `Fn() -> &'outer str`
    s_outer.set_with(make_return_closure(str_outer)); // 类型相符

    {
        let string_inner = String::from("inner"); // 命名其生存期为 'inner
        let str_inner: &str = string_inner.as_str();

        let mut s_inner: S = S(str_inner); // `s_inner.set_with` 参数类型为 `Fn() -> &'inner str`
        //s_inner.set_with(return_static); // 理论可以协变, 实际会导致 `s_inner` 类型推断成 `S<'static>`, 然后编译失败, 无法达到目的
        s_inner.set_with(make_return_closure(str_static)); // 协变, 实参`Fn() -> &'static str` 替代形参 `Fn() -> &'inner str`
        s_inner.set_with(make_return_closure(str_outer)); // 协变, 实参`Fn() -> &'outer str` 替代形参 `Fn() -> &'inner str`
        s_inner.set_with(make_return_closure(str_inner)); // 类型相符
    }

    // 强制拉长生存期
    s_outer;
    s_static;
    str_outer;
}

Rust 泛型类型型变的推导

Rust 泛型类型型变不是由语法定义,而是固定的几个基础类型的可变性表, 然后组合类型 struct, enum 和 union 根据其包含域类型的可变性确定, 域类型有多种可变性时, 组合类型为不变.

型变推导实例

1. Cell<T> 包含 std::cell::UnsafeCell<T> 其对T不变.
2. Vec<T> 包含 alloc::raw_vec::RawVec<T> 包含 core::ptr::Unique<T> 包含 std::marker::PhantomData<T> 其对T协变.
3. 推导以下代码中泛型类型的型变

use core::ptr::NonNull;
struct Node<T>(T);

type Link1<T> = Option<NonNull<Node<T>>>; // `NonNull` 就是 `*const T`, 对 `Node<T>` 协变, 最终对 `T` 协变
type Link2<T> = *mut Node<T>; // 对 `Node<T>` 不变, 最终对 `T` 不变