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在做軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)候，總會(huì)有一些奇奇怪怪的問(wèn)題難以解答：

創(chuàng)新互聯(lián)是一家專業(yè)提供呼和浩特企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),專注與網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站制作、H5頁(yè)面制作、小程序制作等業(yè)務(wù)。10年已為呼和浩特眾多企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)等服務(wù)。創(chuàng)新互聯(lián)專業(yè)網(wǎng)站設(shè)計(jì)公司優(yōu)惠進(jìn)行中。

• 棧是向上增長(zhǎng)還是向下增長(zhǎng)？（這其實(shí)是個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯?wèn)題）
• arm 是 little endian 還是 big endian？
• 閉包究竟是一個(gè)什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？它占用多少內(nèi)存？
• ...

這些讓人摸不著頭腦的問(wèn)題，只要你耐心查找，在 stackoverflow 或者各種論壇上，一般能夠找到答案。不過(guò)，別人給出來(lái)的答案很可能是模棱兩可的，不好理解的，甚至是錯(cuò)誤的。我們需要花時(shí)間甄別那些正確的、并且精準(zhǔn)的答案，還需要花時(shí)間閱讀這些答案。有時(shí)候，即便是你得到了答案甚至記住了答案，你可能還是沒(méi)有完全理解別人給出的答案。當(dāng)你需要把這樣的答案講給別人時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己似乎無(wú)法講得清楚。

在我的職業(yè)生涯中，遇見(jiàn)過(guò)很多所謂的「高手」，漫長(zhǎng)的職業(yè)生涯讓他們遇見(jiàn)了各種奇葩的問(wèn)題，通過(guò)各種知識(shí)搜索和整理的手段，他們也記住了這些問(wèn)題的答案。他們經(jīng)常能拋出一些冷門的知識(shí)，知識(shí)儲(chǔ)備之豐富讓我嘆為觀止。但當(dāng)我想深入下去時(shí)，就發(fā)現(xiàn)他們對(duì)事物的理解不過(guò)是一個(gè)指向別處的引用（reference），是借來(lái)（borrow）的知識(shí)，自己沒(méi)有知識(shí)的所有權(quán)（ownership），所以往往容易語(yǔ)焉不詳，只能給出淺層的回答。

那么，如何避免這種情況，讓自己成為知識(shí)的所有者呢？

我們要學(xué)會(huì)不依賴別人的斷言，單單通過(guò)代碼本身來(lái)探索問(wèn)題的答案。作為開(kāi)發(fā)者，我們最大的優(yōu)勢(shì)就是我們研究的對(duì)象，計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件，就放在離我們唾手可得的地方。我們只要想辦法用代碼構(gòu)造研究這個(gè)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，就能不斷迭代夠逐漸找到答案。而且，這答案是第一手的，不是別人咀嚼后喂給你的，而是你通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證出來(lái)的，所以它是你自己的知識(shí)，即便過(guò)了十年二十年，你依然能清晰地給出答案，或者至少給出通往這個(gè)答案的途徑。

問(wèn)有意思的問(wèn)題

最近在我的極客時(shí)間的專欄《陳天 · Rust 第一課》中，有個(gè)同學(xué)在看到我畫(huà)的這張圖時(shí)：

問(wèn)了這樣一個(gè)問(wèn)題：

虛表是每個(gè)類有一份，還是每個(gè)對(duì)象有一份，還是每個(gè)胖指針有一份？

這是一個(gè)非常棒的問(wèn)題。我不知道有多少人在學(xué)習(xí)的時(shí)候會(huì)發(fā)出這樣的疑問(wèn)，但我猜很少，因?yàn)橹辽傥抑霸谥辈ブv Rust 時(shí)，在我公司內(nèi)部講 Rust 時(shí)，沒(méi)有人關(guān)心過(guò)這個(gè)問(wèn)題。

而 問(wèn)對(duì)問(wèn)題，比知道答案更重要 。一個(gè)好的問(wèn)題，就已經(jīng)離知識(shí)很近了。

<愛(ài)因斯坦>

如何才能問(wèn)出有意思的問(wèn)題？

我在學(xué)習(xí) trait object 的時(shí)候，也問(wèn)過(guò)同樣的問(wèn)題，并且順著問(wèn)題，找到了答案。你想想，什么樣的思考會(huì)觸發(fā)問(wèn)這個(gè)問(wèn)題呢？

也許來(lái)自對(duì)比學(xué)習(xí)（我自己的情況）：因?yàn)?C++ 每個(gè)類有一個(gè)自己的虛表，所以不免會(huì)好奇 trait object 是不是也是類似的實(shí)現(xiàn)？

也許來(lái)自對(duì)內(nèi)存效率的擔(dān)憂：trait object 有個(gè)指針指向虛表，那么如果在每個(gè) trait object 生成時(shí)都生成一張?zhí)摫?，那么很浪費(fèi)內(nèi)存啊。對(duì)于上面的 Write trait，還好，只有幾個(gè)方法，但對(duì)一些比較大的 trait，如 Iterator，有近七十個(gè)方法，也就是說(shuō)光這些方法組成的虛表，就有五百多字節(jié)！如果每個(gè) trait object 都自己生成這樣一張表，內(nèi)存占用多可怕！所以如果不搞明白，不敢大量使用啊。

也許還有其它什么思考觸發(fā)了這個(gè)問(wèn)題。

不管怎么樣，能問(wèn)出好的問(wèn)題，一定會(huì)現(xiàn)有一些先驗(yàn)知識(shí)，然后通過(guò)細(xì)致的觀察，深入的思考，才會(huì)慢慢萌發(fā)問(wèn)題。

從假設(shè)到通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)

那么，有了好問(wèn)題，我們?nèi)绾谓獯疬@個(gè)問(wèn)題呢？

我們可以根據(jù)自己已有的知識(shí)，思考最可能接近真相的方向，然后動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的假設(shè)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我認(rèn)為為每個(gè) trait object 生成一張表效率太低，不太可能，所以傾向于像 C++ 那樣，每個(gè)類型都有靜態(tài)的虛表。既然我有了這樣的假設(shè)，那么怎么驗(yàn)證它呢？我可以用兩個(gè)字符串分別生成 trait object，然后打印虛表的地址進(jìn)行對(duì)比。如果一致，那么符合我的假設(shè)：每個(gè)類型都有靜態(tài)的虛表。

實(shí)驗(yàn)一

有了這個(gè)方向，查閱資料，寫(xiě)出下面的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的代碼并非難事：

 
 
 
 

  
  
  
  
use std::fmt::Debug; 
  
  
  
  
use std::mem::transmute; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
fn main() { 
  
  
  
  
    let s1 = String::from("hello"); 
  
  
  
  
    let s2 = String::from("goodbye"); 
  
  
  
  
    let w1: &dyn Debug = &s1; 
  
  
  
  
    let w2: &dyn Debug = &s2; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // 強(qiáng)行把 triat object 轉(zhuǎn)換成兩個(gè)地址 (usize, usize) 
  
  
  
  
    // 這是不安全的，所以是 unsafe 
  
  
  
  
    let (addr1, vtable1) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w1 as *const dyn Debug) }; 
  
  
  
  
    let (addr2, vtable2) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w2 as *const dyn Debug) }; 
  
  
  
  
     
  
  
  
  
    // trait object(s / Display) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr1: 0x{:x}, vtable1: 0x{:x}", addr1, vtable1); 
  
  
  
  
    // trait object(s / Debug) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr2: 0x{:x}, vtable2: 0x{:x}", addr2, vtable2); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // String 類型擁有相同的 vtable? 
  
  
  
  
    assert_eq!(vtable1, vtable2); 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

如果你在 rust playground 里運(yùn)行，會(huì)得到下面的結(jié)果：

addr1: 0x7ffd1c524910, vtable1: 0x556591eae4c8
addr2: 0x7ffd1c524928, vtable2: 0x556591eae4c8

從實(shí)驗(yàn)一中，我們得出結(jié)論： 虛表是共享的，不是每一個(gè) trait object 都有一張?zhí)摫?/b> 。從虛表的地址上看，它既不是堆地址，也不是棧地址。目測(cè)像是代碼段或者數(shù)據(jù)段的地址？

你看，我們通過(guò)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又有了新的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)有了新的問(wèn)題。

于是我們繼續(xù)迭代。

實(shí)驗(yàn)二

在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，我們可以定義一個(gè)靜態(tài)變量 V，打印一下它的地址（DATA 段），以及打印一下 main() 函數(shù)的地址（TEXT 段）來(lái)比較：

 
 
 
 

  
  
  
  
static V: i32 = 0; 
  
  
  
  
println!("V: {:p}, main(): {:p}", &V, main as *const ()); 
 
 
 
 

打印結(jié)果（注意每次編譯后運(yùn)行地址都會(huì)不同）：

 
 
 
 

  
  
  
  
addr1: 0x7fff2dd3e7f8, vtable1: 0x557a21b9e488 
  
  
  
  
addr2: 0x7fff2dd3e810, vtable2: 0x557a21b9e488 
  
  
  
  
V: 0x557a21b910ec, main(): 0x557a21b63e40 
 
 
 
 

Bingo！實(shí)驗(yàn)二證明了我們的猜測(cè)沒(méi)錯(cuò)， 虛表是編譯時(shí)就生成好，塞入二進(jìn)制文件中的 。當(dāng)生成 trait object 時(shí)，根據(jù)是哪個(gè)類型，再指向?qū)?yīng)的位置。

那么，Rust 為每個(gè)類型（比如 String ）編譯時(shí)只生成一個(gè) vtable，對(duì)么？

我們目前很接近真相，但還有未解的疑問(wèn)。從目前的實(shí)驗(yàn)中，我們還無(wú)法得出這個(gè)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)一里，我們只用了 Debug trait，這個(gè)樣本太小，不具備普遍性。如果對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)類型（比如 String）使用不同的 trait，會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果么？我們并不知道。如果結(jié)果相同，那么我們就大概率可以確定，一個(gè)類型一張?zhí)摫?，否則，就應(yīng)該是每個(gè)類型的每個(gè) trait 實(shí)現(xiàn)，都有一張?zhí)摫怼?/p>

實(shí)驗(yàn)三

于是在實(shí)驗(yàn)三里，我們用同一個(gè)類型的兩個(gè)不同的 Trait，來(lái)生成不同的 trait object，看看其虛表是否是同一個(gè)地址：

 
 
 
 

  
  
  
  
use std::fmt::{Debug, Display}; 
  
  
  
  
use std::mem::transmute; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
fn main() { 
  
  
  
  
    let s1 = String::from("hello world!"); 
  
  
  
  
    let s2 = String::from("goodbye world!"); 
  
  
  
  
    // Display / Debug trait object for s 
  
  
  
  
    let w1: &dyn Display = &s1; 
  
  
  
  
    let w2: &dyn Debug = &s1; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // Display / Debug trait object for s1 
  
  
  
  
    let w3: &dyn Display = &s2; 
  
  
  
  
    let w4: &dyn Debug = &s2; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // 強(qiáng)行把 triat object 轉(zhuǎn)換成兩個(gè)地址 (usize, usize) 
  
  
  
  
    // 這是不安全的，所以是 unsafe 
  
  
  
  
    let (addr1, vtable1) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w1 as *const dyn Display) }; 
  
  
  
  
    let (addr2, vtable2) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w2 as *const dyn Debug) }; 
  
  
  
  
    let (addr3, vtable3) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w3 as *const dyn Display) }; 
  
  
  
  
    let (addr4, vtable4) = unsafe { transmute::<_, (usize, usize)>(w4 as *const dyn Debug) }; 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // s 和 s1 在棧上的地址，以及 main 在 TEXT 段的地址 
  
  
  
  
    println!( 
  
  
  
  
        "s1: {:p}, s2: {:p}, main(): {:p}", 
  
  
  
  
        &s1, &s2, main as *const () 
  
  
  
  
    ); 
  
  
  
  
    // trait object(s / Display) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr1: 0x{:x}, vtable1: 0x{:x}", addr1, vtable1); 
  
  
  
  
    // trait object(s / Debug) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr2: 0x{:x}, vtable2: 0x{:x}", addr2, vtable2); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // trait object(s1 / Display) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr3: 0x{:x}, vtable3: 0x{:x}", addr3, vtable3); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // trait object(s1 / Display) 的 ptr 地址和 vtable 地址 
  
  
  
  
    println!("addr4: 0x{:x}, vtable4: 0x{:x}", addr4, vtable4); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // 指向同一個(gè)數(shù)據(jù)的 trait object 其 ptr 地址相同 
  
  
  
  
    assert_eq!(addr1, addr2); 
  
  
  
  
    assert_eq!(addr3, addr4); 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
    // 指向同一種類型的同一個(gè) trait 的 vtable 地址相同 
  
  
  
  
    // 這里都是 String + Display 
  
  
  
  
    assert_eq!(vtable1, vtable3); 
  
  
  
  
    // 這里都是 String + Debug 
  
  
  
  
    assert_eq!(vtable2, vtable4); 
  
  
  
  
} 
 
 
 
 

結(jié)果令人驚喜：String + Display 生成的 trait object，和 String + Debug 生成的 trait object，使用的是不同的 vtable：

 
 
 
 

  
  
  
  
s1: 0x7ffc7d427a08, s2: 0x7ffc7d427a20, main(): 0x561b76ff2e90 
  
  
  
  
addr1: 0x7ffc7d427a08, vtable1: 0x561b7702d3b8 
  
  
  
  
addr2: 0x7ffc7d427a08, vtable2: 0x561b7702d3d8 
  
  
  
  
addr3: 0x7ffc7d427a20, vtable3: 0x561b7702d3b8 
  
  
  
  
addr4: 0x7ffc7d427a20, vtable4: 0x561b7702d3d8 
 
 
 
 

所以，我們可以確定， 虛表是每個(gè) (Trait, Type) 一份，在編譯時(shí)就生成好了 。

那么，編譯器在什么時(shí)機(jī)來(lái)生成這張?zhí)摫砟兀坑欣碛赏茢?，在編譯器編譯 impl 某個(gè) trait 的代碼時(shí)生成了虛表，比如：

 
 
 
 

  
  
  
  
impl Debug for String {...} 
 
 
 
 

因?yàn)榇藭r(shí)編譯器有生成虛表所需要的一切信息：

• 數(shù)據(jù)如何銷毀：String 的 drop 方法的地址此時(shí)需要已經(jīng)編譯得出
• 數(shù)據(jù)的大小和對(duì)齊：此刻是 String 類型，所以大小 24 字節(jié)，對(duì)齊 8 字節(jié)
• trait 方法：在編譯 impl Debug 時(shí)就已經(jīng)得到 fmt() 方法的地址