Rust: Trait

Rust có nhiều loại data types như primitives (i8, i32, str, ...), struct, enum và các loại kết hợp (aggregate) như tuples và array. Mọi types không có mối liên hệ nào với nhau. Các data types có các phương thức (methods) để tính toán hay convert từ loại này sang loại khác, nhưng chỉ để cho tiện lợi hơn, method chỉ là các function. Bạn sẽ làm gì nếu một tham số là nhiều loại kiểu dữ liệu? Một số ngôn ngữ như Typescript hay Python sẽ có cách sử dụng Union type như thế này:

function notify(data: string | number) {
  if (typeof data == 'number') {
    // ...
  } else if (typeof data == 'number') {
    // ...
  }
}

Còn trong Rust thì sao?

Trait implementations for Display

Trait là gì?

Có thể bạn đã thấy qua trait rồi: Debug, Copy, Clone, ... là các trait.

Trait là một cơ chế abstract để thêm các tính năng (functionality) hay hành vi (behavior) khác nhau vào các kiểu dữ liệu (types) và tạo nên các mối quan hệ giữa chúng.

Trait thường đóng 2 vai trò:

  1. Giống như là interfaces trong Java hay C# (fun fact: lần đầu tiên nó được gọi là interface). Ta có thể kế thừa (inheritance) interface, nhưng không kế thừa được implementation của interface*.* Cái này giúp Rust có thể hỗ trợ OOP. Nhưng có một chút khác biệt, nó không hẳn là interface.
  2. Vai trò này phổ biến hơn, trait đóng vai trò là generic constraints. Dễ hiểu hơn, ví dụ, bạn định nghĩa một function, tham số là một kiểu dữ liệu bất kỳ nào đó, không quan tâm, miễn sau kiểu dữ liệu đó phải có phương thức method_this(), method_that() nào đó cho tui. Kiểu dữ liệu nào đó gọi là genetic type. Function có chứa tham số generic type đó được gọi là generic function. Và việc ràng buộc phải có method_this(), method_that() , ... gọi là generic constraints. Mình sẽ giải thích rõ cùng với các ví dụ sau dưới đây.

Để gắn một trait vào một type, bạn cần implement nó. Bởi vì Debug hay Copy quá phổ biến, nên Rust có attribute để tự động implement: 

#[derive(Debug)]
struct MyStruct {
  number: usize,
}

Nhưng một số trait phức tạp hơn bạn cần định nghĩa cụ thể bằng cách impl nó. Ví dụ bạn có trait Add (std::ops::Add) để add 2 type lại với nhau. Nhưng Rust sẽ không biết cách bạn add 2 type đó lại như thế nào, bạn cần phải tự định nghĩa: 

use std::ops::Add;

struct MyStruct {
  number: usize,
}

impl Add for MyStruct {    // <-- here
  type Output = Self;
  fn add(self, other: Self) -> Self {
    Self { number: self.number + other.number }
  }
}

fn main() {
  let a1 = MyStruct { number: 1 };
  let a2 = MyStruct { number: 2 };
  let a3 = MyStruct { number: 3 };

  assert_eq!(a1 + a2, a3);
}

Note: Mình sẽ gọi Define Trait là việc định nghĩa, khai báo một trait mới trong Rust (trait Add). Implement Trait là việc khai báo nội dung của function được liệu kê trong Trait cho một kiểu dữ liệu cụ thể nào đó (impl Add for MyStruct).

Định nghĩa một Trait

Nhắc lại là Trait định nghĩa các hành vi (behavior). Các types khác nhau có thể chia sẻ cùng cá hành vi. Định nghĩa một trait giúp nhóm các hành vi để làm một việc gì đó.

Theo ví dụ của Rust Book, ví dụ ta các struct chứa nhiều loại text:

  • NewsArticle struct chứa news story, và
  • Tweet struct có thể chứa tối đa 280 characters cùng với metadata.

Bây giờ chúng ta cần viết 1 crate name có tên là aggregator có thể hiển thị summaries của data có thể store trên NewsArticle hoặc Tweet instance. Chúng ta cần định nghĩa method summarize trên mỗi instance. Để định nghĩa một trait, ta dùng trait theo sau là trait name; dùng keyword pub nếu định nghĩa một public trait. 

pub trait Summary {
  fn summarize(&self) -> String;
}

Trong ngoặc, ta định nghĩa các method signatures để định nghĩa hành vi: fn summarize(&self) -> String. Ta có thể định nghĩa nội dung của function. Hoặc không, ta dùng ; kết thúc method signature, để bắt buộc type nào implement trait Summary đều phải định nghĩa riêng cho nó, bởi vì mỗi type (NewsArticle hay Tweet) đều có cách riêng để summarize. Mỗi trait có thể có nhiều method.

Implement Trait cho một Type

Bây giờ ta định implement các method của trait Summary cho từng type. Ví dụ dưới đây ta có struct NewsArticle và struct Tweet, và ta định nghĩa summarize cho 2 struct này. 

pub trait Summary {
  fn summarize(&self) -> String;
}

pub struct NewsArticle {
  pub headline: String,
  pub location: String,
  pub author: String,
  pub content: String,
}

impl Summary for NewsArticle {
  fn summarize(&self) -> String {
    format!("{}, by {} ({})", self.headline, self.author, self.location)
  }
}

pub struct Tweet {
  pub username: String,
  pub content: String,
  pub reply: bool,
  pub retweet: bool,
}

impl Summary for Tweet {
  fn summarize(&self) -> String {
    format!("{}: {}", self.username, self.content)
  }
}

Implement trait cho type giống như impl bình thường, chỉ có khác là ta thêm trait name và keyword for sau impl. Bây giờ Summary đã được implement cho NewsArticle và Tweet, người sử dụng crate đã có thể sử dụng các phương thức của trait như các method function bình thường. Chỉ một điều khác biệt là bạn cần mang trait đó vào cùng scope hiện tại cùng với type để có thể sử dụng. Ví dụ: 

use aggregator::{Summary, Tweet}; // <-- same scope

fn main() {
  let tweet = Tweet {
    username: String::from("horse_ebooks"),
    content: String::from("of course, as you probably already know, people"),
    reply: false,
    retweet: false,
  };

  println!("1 new tweet: {}", tweet.summarize());
  // 1 new tweet: horse_ebooks: of course, as you probably already know, people
}

Rust Playground: https://play.rust-lang.org/?version=stable&mode=debug&edition=2021&gist=dc563051aecebae4344776c06fb1b49d

Chúng ta có thể implement trait cho mọi type khác bất kỳ, ví dụ implement Summary cho Vec<T> trong scope của crate hiện tại.

pub trait Summary {
  fn summarize(&self) -> String;
}

impl<T> Summary for Vec<T> {    // <-- local scope
  fn summarize(&self) -> String {
    format!("There are {} items in vec", self.len())
  }
}

fn main() {
  let vec = vec![1i32, 2i32];
  println!("{}", vec.summarize());
  // There are 2 items in vec
}

Rust Playground: https://play.rust-lang.org/?version=stable&mode=debug&edition=2021&gist=dcaa812fab222ec0c713a38b066bda20

Bạn sẽ không thể implement external traits trên external types. Ví dụ ta không thể implement Display cho Vec<T> bởi vì Display và Vec<T> được định nghĩa trong standard library, trong trong crate hiện tại. Rule này giúp tránh chống chéo và chắc chắn rằng không ai có thể break code của người khác và ngược lại.

Default Implementations

Đôi khi bạn cần có default behavior mà không cần phải implement content cho từng type mỗi khi cần sử dụng:

pub trait Summary {
  fn summarize(&self) -> String {
    String::from("(Read more...)")
  }
}

pub struct NewsArticle {
  pub headline: String,
  pub location: String,
  pub author: String,
  pub content: String,
}

impl Summary for NewsArticle {}; // <-- sử dụng {}

fn main() {
  let article = NewsArticle { ... };
  println!("New article: {}", article.summarize());
  // New article: (Read more...)
}

Traits as Parameters

Trở lại ví dụ Typescript ở đầu tiên, với Trait bạn đã có thể define một function chấp nhận tham số là nhiều kiểu dữ liệu khác nhau. Nói theo một cách khác, bạn không cần biết kiểu dữ liệu, bạn cần biết kiểu dữ liệu đó mang các behavior nào thì đúng hơn. 

fn notify(data: &impl Summary) {
  println!("News: {}", data.summarize());
}

fn main() {
  let news = NewsArticle {};
  notify(news);
}

Ở đây, thay vì cần biết data là type nào (NewsArticle hay Tweet?), ta chỉ cần cho Rust compiler biết là notify sẽ chấp nhận mọi type có implement trait Summary, mà trait Summary có behavior .summarize(), do đó ta có thể sử dụng method .summary() bên trong function.

Trait Bound

Một syntax sugar khác mà ta có thể sử dụng thay cho &impl Summary ở trên, gọi là trait bound, bạn sẽ bắt gặp nhiều trong Rust document: 

pub fn notify<T: Summary>(item: &T) {
  println!("News: {}", item.summarize());
}

Đầu tiên chúng ta định nghĩa trait bound bằng cách định nghĩa một generic type parameter trước, sau đó là : trong ngoặc < và >. Ta có thể đọc là: item có kiểu generic là T và T phải được impl Summary.

  • notify<T>( khai báo generic type T
  • notify<T: Summary>( generic type được implement trait Summary

Cú pháp này có thể dài hơn và không dễ đọc như &impl Summary, nhưng hãy xem ví dụ dưới đây:

pub fn notify(item1: &impl Summary, item2: &impl Summary) {}  // (1)
pub fn notify<T: Summary>(item1: &T, item2: &T) {}            // (2)

Dùng trait bound giúp ta tái sử dụng lại T, mà còn giúp force item1 và item2 có cùng kiểu dữ liệu, đây là cách duy nhất (cả 2 đều là NewsArticle hoặc cả 2 đều là Tweet) mà (1) không thể.

Specifying Multiple Trait Bounds with the + Syntax

Ta có cú pháp + nếu muốn generic T có được impl nhiều trait khác nhau. Ví dụ ta muốn item phải có cả Summary lẫn Display 

pub fn notify(item: &(impl Summary + Display)) {}
pub fn notify<T: Summary + Display>(item: &T) {}

where Clauses

Đôi khi bạn sẽ có nhiều genenic type, mỗi generic type lại có nhiều trait bound, khiến code khó đọc. Rust có một cú pháp where cho phép định nghĩa trait bound phía sau function signature. Ví dụ: 

fn some_function<T: Display + Clone, U: Clone + Debug>(t: &T, u: &U) -> i32 {

Với where clause:

fn some_function<T, U>(t: &T, u: &U) -> i32
    where T: Display + Clone,
	  U: Clone + Debug,
{

Returning Types that Implement Traits

Chúng ta cũng có thể sử dụng impl Trait cho giá trị được trả về của function.

fn returns_summarizable() -> impl Summary {
    Tweet {
        username: String::from("horse_ebooks"),
        content: String::from("ahihi"),
        reply: false,
        retweet: false,
    }
}

Được đọc là: function returns_summarizable() trả về bất kỳ kiểu dữ liệu nào có impl Summary. Tuy nhiên bạn chỉ có thể return về hoặc Tweet hoặc NewsArticle do cách implement của compiler. Code sau sẽ có lỗi: 

fn returns_summarizable(switch: bool) -> impl Summary {
    if switch { NewsArticle {} }
		else { Tweet {} }
}

Rust Book có một chương riêng để xử lý vấn đề này: Chapter 17: Using Trait Objects That Allow for Values of Different Types

Using Trait Bounds to Conditionally Implement Methods

Ta có thể implement 1 method có điều kiện cho bất kỳ type nào có implement một trait khác cụ thể. Ví dụ để dễ hiểu hơn dưới đây: 

use std::fmt::Display;

struct Pair<T> {
  x: T,
  y: T,
}

impl<T> Pair<T> {
  fn new(x: T, y: T) -> Self {
    Self { x, y }
  }
}

impl<T: Display + PartialOrd> Pair<T> {
  fn cmp_display(&self) {
    if self.x >= self.y {
      println!("The largest member is x = {}", self.x);
    } else {
      println!("The largest member is y = {}", self.y);
    }
  }
}

impl<T> Pair<T> implement function new trả về kiểu dữ liệu Pair<T> với T là generic (bất kỳ kiểu dữ liệu nào.

impl<T: Display + PartialOrd> Pair<T> implement function cmp_display cho mọi generic T với T đã được implement Display + PartialOrd trước đó rồi (do đó mới có thể sử dụng các behavior của Display (println!("{}")) và PartialOrd (>, <, ...) được.

Blanket implementations

Ta cũng có thể implement 1 trait có điều kiện cho bất kỳ kiểu dữ liệu nào có implement một trait khác rồi. Implementation của một trait cho 1 kiểu dữ liệu khác thỏa mãn trait bound được gọi là blanket implementations và được sử dụng rộng rãi trong Rust standard library. Hơi xoắn não nhưng hãy xem ví dụ dưới đây.

Ví dụ: ToString trait trong Rust standard library, nó được implement cho mọi kiểu dữ liệu nào có được implement Display trait. 

impl<T: Display> ToString for T {
  // --snip--
}

Có nghĩa là, với mọi type có impl Display, ta có hiển nhiên thể sử dụng được các thuộc tính của trait ToString.

let s = 3.to_string(); // do 3 thoaỏa manãn Display

Do 3 thỏa mãn điều kiện là đã được impl Display for i32. (https://doc.rust-lang.org/std/fmt/trait.Display.html#impl-Display-11)

Trait Inheritance

pub trait B: A {}

Cái này không hẳn gọi là Trait Inheritance, cái này đúng hơn gọi là "cái nào implement cái B thì cũng nên implement cái A". A và B vẫn là 2 trait độc lập nên vẫn phải implemenet cả 2.

impl B for Z {}
impl A for Z {}

Inheritance thì không được khuyến khích sử dụng.

Kết

Compiler sử dụng trait bound để kiểm tra các kiểu dữ liệu được sử dụng trong code có đúng behavior không. Trong Python hay các ngôn ngữ dynamic typed khác, ta sẽ gặp lỗi lúc runtime nếu chúng ta gọi các method mà kiểu dữ liệu đó không có hoặc không được định nghĩa.

Bạn có chắc chắn là a dưới đây có method summarize() hay không? Nhớ rằng typing hint của Python3 chỉ có tác dụng là nhắc nhở cho lập trình viên thôi. 

# Python
func print_it(a: Union[NewsArticle, Tweet]):
  print(a.summarize())

print_it(1)
print_it("what")

Do đó Rust bắt được mọi lỗi lúc compile time và force chúng ta phải fix hết trước khi chương trình chạy. Do đó chúng ta không cần phải viết thêm code để kiểm tra behavior (hay sự tồn tại của method) trước khi sử dụng lúc runtime nữa, tăng cường được performance mà không phải từ bỏ tính flexibility của generics.

Xem tiếp về Struct.

•Rust 🦀•Rust, Vietnamese, Rust Tiếng Việt, Rust Basic•