Rust의 impl Trait과 dyn Trait

Rust에서 generic type을 나타내는 두가지 방법

Rust에는 구체적인 type 대신 “어떤 trait을 구현한 타입”을 표현하기 위해 impl Trait과 dyn Trait을 사용할 수 있다. 큰 그림에서는 두 방법이 비슷해 보이지만 명확한 차이점과 장단점이 있다.

impl Trait이란

impl Trait은 unnamed이지만 특정 trait을 구현한 구체적인 타입을 명시하기 위해 사용된다. impl Trait은 함수의 인자 혹은 함수의 리턴 타입에 사용될 수 있다.

impl Trait이 함수의 인자 타입으로 사용되는 경우 generic type의 syntactic sugar 정도로 이해하면 된다. 아래의 두 함수는 거의 동일하다. 사용자는 MyTrait을 구현한 어떠한 타입이든 함수의 인자로 넘겨줄 수 있다.

trait MyTrait {};

fn with_generic_type<T: MyTrait>(arg: T) {..}

fn with_impl_triat(arg: impl MyTrait) {..}

impl Trait이 함수의 리턴 타입으로 사용될 때는 unboxed type을 리턴할 수 있게 해준다. closure와 iterator를 나타낼 때 유용하다.

fn return_closure_dyn() -> Box<dyn Fn(u8) -> u8> {
    Box::new(|x| x + 1)
}

fn return_closure_impl() -> impl Fn(u8) -> u8 {
    |x| x + 1
}

한가지 주의해야 할 점이 있는데 impl Trait은 컴파일 타임에 실제 concrete type을 resolve 하기 때문에, 함수로부터 리턴되는 concrete 한 타입은 언제나 같아야 한다. 덕분에 box로 인한 heap allocation을 없앨 수 있고 runtime의 dynamic dispatching을 피할 수 있어 성능상 이점이 있다.

iterator를 나타낼 경우에는 함수의 리턴 값을 trait으로 노출된 함수만 사용할 것이라는 뜻을 내포하고 있으므로, iterator의 복잡한 실제 타입을 기술하지 않아도 되는 장점이 있다.

generic type과의 비교

위에서 impl Trait은 어떻게 보면 generic type의 syntactic sugar로 볼 수 있다고 말했는데, impl Trait을 함수의 리턴 타입으로 사용할 경우 약간의 차이가 있다. generic type을 사용하면 함수의 리턴 타입을 caller가 결정할 수 있는 반면 impl Trait을 사용하면 함수가 리턴 타입을 결정한다.

fn return_generic<T: MyTrait>() -> T {..}

fn return_impl() -> impl Mytrait {..}

dyn Trait이란

Rust의 dyn 키워드는 trait object 타입의 prefix이다. trait object란 trait 집합을 구현한 다른 타입의 opaque value를 뜻한다. 첫번째 trait 외에 다른 trait들은 모두 auto trait이어야 하며 lifetime은 한번만 명시될 수 있다.

dyn MyTrait
dyn MyTrait + Send + Sync
dyn Mytrait + 'static

trait object는 concrete type을 컴파일 타임에 알 수 없고 런타임에만 알 수 있으므로 DST(Dynamically Sized Type)이고, 포인터와 함께 사용되며 (ex, &dyn Trait, Box<dyn Trait>), vtable 포인터를 참조해 indirect하게 호출(dynamic dispatching)된다.

impl Trait과는 다르게 컴파일타임에 concrete type이 결정될 필요가 없으므로 아래와 같이 사용할 수 있다.

struct A {
    method: Box<dyn Fn(u8) -> u8>
}

let a0 = A { method: Box::new(|x| x + 1) };
let a1 = A { method: Box::new(|x| x + 2) };

object safety

dyn Trait의 trait 집합은 object safe trait를 기본으로 auto trait들을 추가하여 정의될 수 있다. 여기서 object safe trait을 만족하려면 아래 조건을 모두 만족해야 한다.

• supertrait들이 모두 object safe trait이어야 함
• Sized trait이 supertrait이 아니어야 함
• 연관된 constant가 없어야 함
• 연관된 generic type이 없어야 함
• 모든 연관된 함수들은 trait object로부터 dispatchable하거나 명시적으로 non-dispatchable이어야 함
  • 이와 관련된 조건은 조금 더 복잡한데 많이 어렵지 않으므로 직접 한번 읽어 보는 것을 추천한다

결론

• impl Trait은 컴파일타임에 concrete type으로 모두 resolve하기 때문에
  • 성능상 유리하지만
  • 유연성이 부족하고
  • 생성되는 코드의 크기가 커진다.
• dyn Trait은 런타임에 dynamic dispatching을 수행하기 때문에
  • 성능상 오버헤드가 존재하지만
  • 유연성이 높고
  • 생성되는 코드의 크기가 작아진다.

참고

• https://doc.rust-lang.org/reference/types/impl-trait.html
• https://doc.rust-lang.org/reference/types/trait-object.html
• https://doc.rust-lang.org/std/keyword.dyn.html