文档【免费下载链接】rfcsRFCs for changes to Rust项目地址https://gitcode.com/gh_mirrors/rf/rfcs点击查看免费下载泛型关联类型Generic Associated Types简称 GAT是 Rust 类型系统中一项承前启后的核心特性它让 trait 可以声明带类型/生命周期参数的关联项从而表达返回类型生命周期与调用方借用绑定这类标准Iterator无法描述的模式。本文以 RFC 1598text/1598-generic_associated_types.md 为骨架系统讲解其动机、kind种理论背景、关联类型构造器Associated Type ConstructorATC的声明/赋值/约束语法、bounds 求值语义与备选方案并结合本仓库中后续 RFC 的落地证据如 async fn 脱糖为 GAT、RPIT 脱糖为 GAT说明该设计如何演化为今天 Rust 语言的一部分。读完本文你将完整掌握 GAT 的语法形态、它能解决哪些高阶多态问题、它刻意不解决什么以及它在现代 Rust 中的真实角色。背景什么是 kind种与高阶多态要理解 GAT首先要理解类型系统里的kind种概念。kind 常被通俗地称为类型的类型这个定义对初学者并不友好因此 RFC 建议用类型系统本身的类比来理解。在一个良类型化的语言中每个表达式都有一个类型。有些类型是语言原生的基础类型base type无法用其他类型描述Rust 中的bool、i64、usize、char都是典型例子另一些类型则是由其他类型组合而成的函数就是最好的例子fn not(x: bool) - bool { !x }not的类型是bool - bool这里借用了非 Rust 语法的箭头记法而not(true)的类型是bool。这两者截然不同正是理解高阶多态higher-kindedness的关键。在 kind 分析中bool、char、bool - bool等所有类型都具有 kindtype。与bool是基础类型类似type是一种基础 kind而像type - type这样更复杂的 kind 也存在。Vec就是 kind 为type - type的项它接受一个类型参数并求值出一个类型。Vec的 kind 与Veci32的 kind即type之间的差别正类比于not的类型与not(true)的类型之间的差别。注意VecT的 kind 同样是type——即使T是类型参数Vec仍是在被应用于一个类型正如not(x)的返回类型仍是bool即使x是变量。Rust 有一个相对罕见的特性它有两种基础 kind而许多处理高阶多态的语言只有type这一种。Rust 的另一种基础 kind 是生命周期参数lifetime。如果有一个类型Fooa那么Foo的 kind 就是lifetime - type。高阶项自然也可以接受多个参数Result的 kind 是type, type - type给定vec::Itera, Tvec::Iter的 kind 是lifetime, type - type。高阶 kind 的项常被称为类型算子type operator其中求值结果为类型的被称为类型构造器type constructor。还存在求值为其他类型算子的类型算子甚至有一阶类型算子其 kind 形如(type - type) - type以类型算子为参数。RFC 1598 刻意不处理如此进阶的情况。RFC 1598 的目标非常聚焦允许类型构造器像函数、类型、常量一样关联到 trait 上即关联类型构造器 ATC。而其他涉及类型构造器的多态形式——例如为类型构造器而非类型实现 trait——不在本 RFC 范围内。动机StreamingIterator用例RFC 以一个极具代表性的 trait 作为动机示例trait StreamingIterator { type Itema; fn nexta(a mut self) - OptionSelf::Itema; }这个 trait 非常有用——它允许一种按借用发起迭代的Iteratornext返回的值的生命周期与传给next的引用的生命周期绑定。一个典型用例是对向量进行迭代每次产出重叠的可变子切片overlapping mutable subslices。如果使用标准Iterator接口这种实现是非法的因为每个切片必须与迭代器存活一样长而不是与next发起的借用一样长。这个 trait 在当时的 Rust 中无法表达正因为它依赖一种高阶多态。RFC 提议把这种特定形式的高阶多态引入 Rust并命名为关联类型构造器。该特性的核心应用场景正如StreamingIterator所示定义产出生命周期与接收者局部借用绑定的类型的 trait。详细设计关联类型构造器声明与赋值关联类型构造器RFC 提出了一种非常简单的语法来定义关联类型构造器它与为类型构造器创建别名的语法非常相似目标是不给尚未理解高阶多态的用户设置障碍trait StreamingIterator { type Itema; }Item关联项是类型构造器而非类型这一点通过它带有一个类型参数即可清楚判断。关联类型构造器可以像关联类型一样被加约束boundtrait Iterable { type Itema; type Itera: IteratorItem Self::Itema; fn itera(a self) - Self::Itera; }这里的约束应用于类型构造器的输出参数被当作高阶参数处理。也就是说上面的约束大致等价于给 trait 追加如下约束fora Self::Itera: IteratorItem Self::Itema在 impl 中赋值关联类型构造器语法与赋值关联类型非常相似implT StreamingIterator for StreamIterMutT { type Itema a mut [T]; ... }用关联类型构造器构造类型一旦 trait 拥有关联类型构造器就可以将其应用于作用域内任何参数或具体项既可以在 trait 内部也可以在 trait 外部使用的语法与使用关联类型类似。示例如下trait StreamingIterator { type Itema; // 在 trait 内部把生命周期参数 a 应用到 Self::Item 上 fn nexta(a self) - OptionSelf::Itema; } struct FooT: StreamingIterator { // 在 trait 外部把具体生命周期应用到构造器上 bar: T as StreamingIterator::Itemstatic, }关联类型构造器还可以用于构造其他类型构造器trait Foo { type Bara, b; } trait Baz { type Quuxa; } implT Baz for T where T: Foo { type Quuxa T as Foo::Bara, static; }最后生命周期也可以在关联类型构造器中像其他类型构造器一样省略elide。考虑生命周期省略规则StreamingIterator的完整定义是trait StreamingIterator { type Itema; fn next(mut self) - OptionSelf::Item; }在约束中使用关联类型构造器用户可以用 HRTB高阶 trait 约束Higher-Ranked Trait Bounds来约束参数要求该参数满足trait 的关联类型构造器构造出的类型的某种性质。类型相等约束与 trait 约束两种形式都合法fn fooT: fora StreamingIteratorItemaa [i32](iter: T) { ... } fn fooT(iter: T) where T: StreamingIterator, fora T::Itema: Display { ... }RFC不提议允许对类型构造器本身施加任何形式的约束无论相等约束还是 trait 约束trait 约束当然也不可能。类型参数的关联类型构造器与PointerFamily模式上述所有例子都聚焦于生命周期参数的 ATC但 RFC 同样提议增加类型参数的 ATCtrait Foo { type BarT; }RFC不提议把 HRTB 扩展为接受类型参数这使得类型参数 ATC 的表达力受到限制这种扩展是值得期待的但超出本 RFC 范围。类型参数 ATC 可以借助family 模式family trait编码其他形式的高阶多态。例如用PointerFamilytrait 抽象Arc与Rctrait PointerFamily { type PointerT: DerefTarget T; fn newT(value: T) - Self::PointerT; } struct ArcFamily; impl PointerFamily for ArcFamily { type PointerT ArcT; fn newT(value: T) - Self::PointerT { Arc::new(value) } } struct RcFamily; impl PointerFamily for RcFamily { type PointerT RcT; fn newT(value: T) - Self::PointerT { Rc::new(value) } } struct FooP: PointerFamily { bar: P::PointerString, }这一family 模式在本仓库的后续 RFC 中被进一步引用与扩展text/2300-self-in-typedefs.md 在讨论typedefs 中的Self时展示了一个结合PointerFamily与 GAT 的Tree类型写法用type S P::PointerTreeT这种别名把重复的P::PointerTreeT抽取出来避免了在枚举变体中反复书写enum TreeT, P: PointerFamily { type S P::PointerTreeT; Nil, Node(T, S, S), }该 RFC 评论称这种基于 GAT 的做法相比本 RFC 所提方案更灵活尤其在 GAT 场景下代价是需要引入和教授更多概念。bounds 与 where 子句的求值语义关联类型构造器上的约束视为高阶约束关联类型构造器上的约束被当作施加在 trait 自身上的高阶约束这与普通关联类型上的约束行为保持一致。例如trait Foo { type Assoca: Traita; }等价于trait Foo where fora Self::Assoca: Traita { type Assoca; }关联类型上的 where 子句每次使用都需证明与此相反关联类型上的 where 子句引入的是每次使用该关联类型时都必须被证明的约束。例如trait Foo { type Assoc where Self: Sized; }每次调用T as Foo::Assoc都需要证明T: Sized——这与由 impl 来证明约束的其他情形恰恰相反。RFC 作者之一nikomatsakis认为在某些情况下将 where 子句放到关联类型构造器上是处理生命周期 well-formedness 所必需的。确切细节在 RFC 中被有意留白因为它们会在实现过程中逐渐浮现——这正是 text/3245-refined-impls.md 后来所指出的问题的源头GAT 在 trait 定义处往往需要额外约束对应 Rust 仓库 issue #87479而精细化 implrefined impls特性允许不需要这些约束的实现把它们省略掉从而放宽类型接口上的要求。为什么先实现这一个特性而不是全套高阶多态GAT 并不是完整的高阶多态不支持 Haskell 中流行的那些抽象形式但它提供了 Rust 特有的大多数高阶多态用例例如流式迭代器与集合 trait。它很可能也是大多数用户最容易上手的特性——即使不理解高阶多态也能凭直觉理解 GAT。该特性有几个棘手的实现挑战但它规避了其他高阶多态所必需的全部能力定义高阶 trait为类型算子实现高阶 trait更高阶的类型算子受高阶 trait 约束的类型算子参数将类型算子参数应用于某个类型或类型参数换言之RFC 选择了一个增量路径先解决最高频的用例同时为未来更复杂的高阶多态保持前向兼容。提议语法的优势提议语法的优势在于它复用了已存在的语法。Rust 早已可以用相同语法为类型构造器创建别名尽管类型别名在类型解析中不扮演多态角色但在用户看来它们与关联类型非常相似。设计目标是许多用户即使完全不知道高阶多态这一类型系统概念也能直接使用带关联类型构造器的类型。如何教学统一命名为泛型关联类型GATRFC 指出关联类型构造器这一术语虽然此后成为 Rust 社区的通行说法但它对用户并不友好——类型构造器是类型理论中的晦涩行话。因此 RFC 要求一旦本 RFC 被接受应尽快把这一概念简称为泛型关联类型generic associated typesGAT——因为此前关联类型不能是泛型的本 RFC 之后就可以。教学上应把 GAT 作为关联类型的高级用例来教授而不是当作一个独立新特性family trait 之类的模式也应通过书籍或博客等补充文档形式教学。RFC 同时预见到GAT 会增加用户使用 HRTB 的频率因此需要在 HRTB 的教学上投入更多精力。这一点在后续被完全验证本仓库的多篇 RFC 都以 GAT 为既有基础设施来展开设计。例如 text/3185-static-async-fn-in-trait.md 明确写道trait 中的 async fn 会脱糖desugar为返回 GAT 的关联函数trait Example { async fn methodP0..Pn(self) where WC0..WCn; } // 脱糖为 trait Example { type $me, P0..Pn: FutureOutput () where WC0..WCn, // 显式 where 子句 Self: me; // 由 self 参数推导出的隐含约束 fn methodP0..Pn(self) - Self::$_, P0..Pn where WC0..WCn; }类似地text/3654-return-type-notation.md 指出trait 中返回位置impl TraitRPIT按 text/3425-return-position-impl-trait-in-traits.md 定义会被编译器脱糖为 GATtrait Widgets { // 脱糖后 type $Widgetsa: IteratorItem u32; fn widgets(self) - Self::$Widgets_; }这些脱糖不对用户暴露$开头的关联类型不可直接命名但被用于定义 Return Type NotationRTN等后续特性的语义。由此可见GAT 已从 RFC 文本演化为编译器内部的真实基础设施。此外text/3617-precise-capturing.md 在讨论impl use.. Trait语法时也用 GAT 的泛型参数 vs 泛型实参类比来解释精确捕获precise capturing的两种直觉text/2421-unreservations-2018.md 则预期 GAT 落地后人们会在 applicative functor 与 monad 库中使用pure关键字从而支持将其解保留text/2094-nll.md 也提到关联类型构造器与owning_ref类方案结合可能是建模自引用结构/存在性生命周期的可行路径之一。这些都印证了 RFC 对 GAT解决 Rust 特有高阶多态用例的判断。缺点分析增加语言复杂度GAT 会给语言增加一个相当复杂的特性多态地解析类型构造器需要多处类型系统扩展使编译器实现更复杂。更隐蔽的风险在于虽然语法设计得容易学习但它也让用户更可能在想表达别的意思时误用它——类似于impl .. for Trait与implT .. for T where T: Trait之间的混淆。例如// 用户本意是 trait Fooa { type Bar: a; } // 但他们写成了 trait Fooa { type Bara; }两种写法语义截然不同前者表示Bar这个类型本身存活不超过a类型: 生命周期约束后者则声明了一个以a为参数的关联类型构造器。不是完整的高阶类型GAT 没有带来人们谈论高阶类型时想要的全部能力例如它无法实现Monad这类 trait。有人可能倾向于一次性实现全部高阶多态特性。但 GAT 与其他高阶多态形式前向兼容绝不阻碍它们恰恰相反它通过解决部分求值partial application等也会影响其他高阶多态的实现细节为后续铺路。语法与其他高阶多态形式不一致虽然提议的语法与关联类型、类型别名的语法非常相似但其他形式的高阶多态例如为类型构造器实现 trait很可能无法沿用同一风格的语法。正因如此定义关联类型构造器的语法与未来为类型构造器实现 trait的语法大概率会很不一样。不过其他高阶多态形式的语法取决于它们具体启用的能力在未知特性面前设计一致的语法是困难的。备选方案方案一不加 ATC把 HRTB 推得更远一种备选方案是更大力地推动 HRTB甚至引入一些省略规则使其更易用。当前StreamingIterator的近似版本可以这样定义trait StreamingIteratora { type Item: a; fn next(a self) - OptionSelf::Item; }随后可以用T: fora StreamingIteratora来约束类型避免生命周期参数污染StreamingIterator出现的每一处。但这只是部分阻止了StreamingIterator的传染性只能表达 ATC 能表达类型中的一部分本质上是用 hack 绕开限制而不是等价的替代方案。方案二对 ATC 施加限制所谓完整高阶多态通常指允许类型构造器作为其他类型构造器的输入参数——即更高阶的类型构造器。不加限制时多参数更高阶类型构造器会给类型推断带来严重问题。例如推断类型时若已知有一个形如type, type - Result(), io::Error的构造器很难确定它是(), io::Error - Result(), io::Error还是io::Error, () - Result(), io::Error。因此拥有一等公民高阶多态的语言如 Haskell 的柯里化规则往往会对此类高阶项施加限制。如果 Rust 引入更高阶类型构造器就需要对它们接受的类型构造器的 kind 施加类似限制。但 ATC 作为一种别名天然遮蔽了具体类型构造器的真实结构——若想用 ATC 作为更高阶类型构造器的参数就必须对所有ATC 施加这些限制。RFC 列出其认为必要且充分的限制清单ATC 的每个参数都必须被应用applied必须按它们在 ATC 中出现的顺序应用必须恰好应用一次必须是构造器最左侧的参数这些限制相当苛刻已知的好几个 ATC 应用都会受挫例如为HashMap定义Iterable其 item 为(a K, a V)生命周期被应用了两次。因此 RFC 决定不对所有 ATC 施加这些限制。这意味着如果将来语言加入更高阶类型构造器它们将无法把抽象 ATC 作为参数但这可以用满足限制的 newtype 绕开例如struct IterItema, I: Iterable(I::Itema);未解决的问题与设计取舍RFC 在未解决问题一节明确承认关于 where 子句在关联类型构造器上的确切细节以及部分高阶多态实现细节将随着编译器实现逐步浮现见前文 bounds 与 where 子句求值 中对 nikomatsakis 观点的引用。这体现了 RFC 过程一贯的务实态度设计出可实现的增量步骤把更远期的复杂决策留给未来。从本仓库的演进证据看这一决策是成功的GAT 如今已作为编译器脱糖机制、async trait 支持、RPIT-in-trait、精确捕获语法讨论等众多特性的基石见 text/3185-static-async-fn-in-trait.md、text/3654-return-type-notation.md、text/3617-precise-capturing.md同时其trait 定义处需要额外约束的痛点也被后续特性如 text/3245-refined-impls.md持续关注与缓解。结语RFC 1598 用一页页详实的语法示例把一个曾被冠以高阶多态宏大名称的能力落地为 Rust 用户触手可及的泛型关联类型type Itema;这样一行语法让流式迭代器、集合抽象、指针族抽象成为可能。它不是完整的高阶多态却覆盖了 Rust 生态中最有价值的用例并为未来留下了前向兼容的空间。理解 GAT 的动机、语法与求值语义是深入现代 Rust 类型系统async trait、RPIT、精确捕获乃至 monad 式库设计的必经之路。如果你想进一步研究该特性的原始文本、教学建议与备选方案可直接阅读仓库中的 RFC 1598 全文若想了解 GAT 在编译器中的实际应用推荐对照 RFC 3185 的 async fn 脱糖章节 与 RFC 3654 的 RPIT 脱糖章节。赞分享文档【免费下载链接】rfcsRFCs for changes to Rust项目地址https://gitcode.com/gh_mirrors/rf/rfcs点击查看免费下载相关推荐Rust类型系统进阶关联类型与泛型关联类型Rust类型系统进阶关联类型与泛型关联类型 引言 在Rust编程中类型系统是确保代码安全和高效的核心机制之一。关联类型Associated Types和编程语言编译器语言运行时标准库rust-by-example 泛型关联项入门从「泛型 Trait 的类型参数困境」到关联类型rust by example 泛型关联项入门从「泛型 Trait 的类型参数困境」到关联类型 导读 本篇技术指南以 rust by example 教程中文档教程Rust where 子句详解RFC 135 如何重塑泛型约束、算子多分派与关联类型设计Rust where 子句详解RFC 135 如何重塑泛型约束、算子多分派与关联类型设计 导读 where 子句是今天每一位 Rust 开发者每天都在使用的语文档上一篇HomeAssistant Roborock集成配置完整指南下一篇阅读APP书源完整使用指南三步打造专属小说阅读体验创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考