详解Rust的连贯性和孤儿规则

时间：2024-03-08 18:46:12

最近学习Rust时候看到两个术语：连贯性(Coherence)和孤儿规则(Orphan rules)，书上解释的不是很清楚，又没有给出具体的代码示例，让人很难理解。我在网上搜了好久，最后又查了Rust语言规范，算是搞明白了这两个概念，在这里尝试解释一下，如果有理解不对的地方，请各位同学留言指正。

连贯性(Coherence)和孤儿规则(Orphan rules)两者之间是有关联的。

我们先解释一下连贯性，连贯性指的是Trait实现的连贯性。
rust语言规范是这样写的：“A trait implementation is considered incoherent if either the orphan rules check fails or there are overlapping implementation instances.”
如果孤儿规则检查失败或存在重叠的实现实例，则认为trait的实现是不连贯的。

存在重叠的实现实例，这个很好理解，所以理解了孤儿规则，也就理解了连贯性。

下面是孤儿规则在rust语言规范中的定义：
孤儿规则
给定一个 impl<P1..=Pn> Trait<T1..=Tn> for T0 ，仅当以下至少一项为真时，这个 impl 才有效：

  • Trait 是一个 本地 trait
  • 满足以下所有条件：
    • T0..=Tn中至少有一个类型是本地类型 。这里我们把第一个本地类型定义为Ti。
    • No uncovered type parameters P1..=Pn may appear in T0..Ti (excluding Ti)。 P1..=Pn中的未覆盖的类型参数不能出现在 T0..Ti （不包括 Ti ）中； 因为这一条比较难翻译，所以附上了英文。

我来解释一下。
一、如果trait是本地trait，那就直接满足孤儿规则了。本地trait的意思是这个trait是在当前的crate里定义的。
二、如果trait是不是本地trait。那就要同时满足两个条件：

  1. 类型T0..=Tn要至少有一个类型是本地类型。当然，一个impl可能会有多个本地类型，我们第一个本地类型定义为Ti。

  2. P1..=Pn中的未覆盖的类型参数不能出现在 T0..Ti （不包括 Ti ）中。
    这一条是比较难理解的，如果理解了这一条，我们就理解了孤儿规则了。
    什么是未覆盖的类型呢？
    规范里的定义是：A type which does not appear as an argument to another type. 一个类型如果它不是做为其它类型的参数而出现，那它就是未覆盖的类型。
    举个例子，类型T就是未覆盖的类型，但是Vec<T>中的T就不是未覆盖的类型了，就是覆盖了的类型，因为它做为Vec的参数出现了，不是单独出现的。

    我们再来看看规范中的说明：P1..=Pn中的未覆盖的类型参数不能出现在 T0..Ti（不包括 Ti ） 中。需要注意是 T0..Ti，规范中可没要求是T0..=Tn，这一点要注意。

但是这样我们还是难以理解，下面我用代码来解释一下。

请试着编译下面的代码：

struct Entry<K, V> {
    key: K,
    value: V
}

impl<K: PartialEq, V> PartialEq<Entry<K, V>> for K {
    fn eq(&self, other: &Entry<K, V>) -> bool {
        self.eq(&other.key)
    }
}

如果你在rust playground里编译，会报下面的错误：

   Compiling playground v0.0.1 (/playground)
error[E0210]: type parameter `K` must be covered by another type when it appears before the first local type (`Entry<K, V>`)
 --> src/lib.rs:6:6
  |
6 | impl<K: PartialEq, V> PartialEq<Entry<K, V>> for K {
  |      ^ type parameter `K` must be covered by another type when it appears before the first local type (`Entry<K, V>`)
  |
  = note: implementing a foreign trait is only possible if at least one of the types for which it is implemented is local, and no uncovered type parameters appear before that first local type
  = note: in this case, 'before' refers to the following order: `impl<..> ForeignTrait<T1, ..., Tn> for T0`, where `T0` is the first and `Tn` is the last

For more information about this error, try `rustc --explain E0210`.
error: could not compile `playground` (lib) due to previous error

请看编译器给出的信息，其中:

= note: implementing a foreign trait is only possible if at least one of the types for which it is implemented is local, and no uncovered type parameters appear before that first local type

这不就是孤儿规则嘛。

我们来详细分析一下。
实现一个trait的语法是这样的impl<P1..=Pn> Trait<T1..=Tn> for T0 。
在上面的例子里，实现的代码是这样的impl<K: PartialEq, V> PartialEq<Entry<K, V>> for K {
我们可以得出：
P1 = K,P2=V
trait是PartialEq
T0 = K
T1 = Entry<K, V>
Ti是第一个本地类型，所以Ti=T1。

规范是这样规定的： P1..=Pn中的未覆盖的类型参数不能出现在 T0..Ti（不包括 Ti ）
在本例中：
P1..=Pn 就是 [K,V]。
T0..Ti 就是[K,Entry<K, V>]
注意P1也就是K，出现在了T0..Ti中，而K又是一个未覆盖的类型（uncovered type），所以违反了孤儿规则，代码编译报错。

通过这个例子，我想大家就彻底搞明白了孤儿规则，以后碰到也不会觉得奇怪了。当然，不明白也没问题，如果你违反了规则，编译器会报错的。

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