Rust의 Any 트레이트 이해: 리플렉션 없이 타입 내부 검사

서문

Rust가 런타임 리플렉션을 도입하지 않는 이유에 대한 논의는 다음 RFC를 참조하십시오.

https://internals.rust-lang.org/t/pre-rfc-runtime-reflection/11039

다음은 대략적인 요약입니다.

• DI(의존성 주입)는 반드시 리플렉션을 통해 구현될 필요는 없으며, Rust는 더 나은 구현을 제공할 수 있습니다.
• derive 매크로와 트레이트의 조합을 통해 런타임에서 컴파일 타임으로 구현을 이동할 수 있습니다.
• 예를 들어, 절차적 매크로는 컴파일 타임 리플렉션 기능을 활성화하여 의존성 주입과 같은 기능을 가능하게 합니다: https://github.com/dtolnay/reflect

Rust는 Any 트레이트를 제공합니다. 모든 타입(사용자 정의 타입 포함)은 이 트레이트를 자동으로 구현합니다.

따라서 이를 사용하여 일부 리플렉션과 유사한 기능을 달성할 수 있습니다.

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Any 분석

다음은 std::any 모듈에 대한 설명입니다.

이 모듈은 런타임 리플렉션을 통해 모든 'static 타입의 동적 타이핑을 가능하게 하는 Any 트레이트를 구현합니다. Any 자체는 TypeId를 얻는 데 사용될 수 있으며, 트레이트 객체로 사용될 때 더 많은 기능을 제공합니다.

&dyn Any(빌린 트레이트 객체)로서 포함된 값이 주어진 타입인지 확인하고 해당 타입의 내부 값에 대한 참조를 얻기 위해 is 및 downcast_ref 메서드를 제공합니다. &mut dyn Any는 내부 값에 대한 가변 참조를 얻기 위해 downcast_mut 메서드도 제공합니다.

Box<dyn Any>는 이를 Box<T>로 캐스팅하려고 시도하는 downcast 메서드를 추가합니다. &dyn Any는 값이 특정 구체적인 타입인지 확인하는 데 제한되며, 타입이 특정 트레이트를 구현하는지 테스트하는 데는 사용할 수 없습니다.

요약하면 std::any는 네 가지 주요 기능을 제공합니다.

• 변수의 TypeId 얻기
• 변수가 특정 타입인지 확인
• Any를 특정 타입으로 변환
• 타입의 이름 검색

다음은 Any 트레이트와 해당 TypeId 타입의 소스 코드입니다.

pub trait Any: 'static {
    fn type_id(&self) -> TypeId;
}

// 'static 라이프타임을 가진 모든 타입 T에 대해 Any 구현
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
impl<T: 'static + ?Sized> Any for T {
    fn type_id(&self) -> TypeId { TypeId::of::<T>() }
}

// 변수가 특정 타입인지 확인
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[inline]
pub fn is<T: Any>(&self) -> bool {
    let t = TypeId::of::<T>();
    let concrete = self.type_id();
    t == concrete
}

// Any를 특정 타입으로 변환
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[inline]
pub fn downcast_ref<T: Any>(&self) -> Option<&T> {
    if self.is::<T>() {
        unsafe {
            Some(&*(self as *const dyn Any as *const T))
        }
    } else {
        None
    }
}

// 타입 이름 가져오기
pub const fn type_name<T: ?Sized>() -> &'static str {
    intrinsics::type_name::<T>()
}

#[derive(Clone, Copy, PartialEq, Eq, PartialOrd, Ord, Debug, Hash)]
pub struct TypeId {
    t: u64,
}

참고: 'static 라이프타임을 가진 모든 타입은 Any를 구현하며, 비-'static 라이프타임에 대한 지원은 향후 고려될 수 있습니다.

Rust에서 각 타입은 전역적으로 고유한 식별자를 가집니다(TypeId는 타입에 대한 전역적으로 고유한 식별자를 나타냅니다).

이러한 TypeId는 intrinsic 모듈에 정의된 함수를 호출하여 생성됩니다.

intrinsic 모듈 정보:

내장 라이브러리 함수는 컴파일러 자체에서 구현되며 일반적으로 다음과 같은 특징을 가집니다.

• CPU 아키텍처에 크게 의존하며 최적의 성능을 위해 어셈블리 또는 어셈블리 지원으로 구현해야 합니다.
• 컴파일러와 밀접하게 연결되어 있어 컴파일러 구현이 가장 적합합니다.

따라서 type_id 생성은 컴파일러 구현에 따라 결정됩니다!

자세한 내용은 다음을 참조하십시오: https://github.com/rust-lang/rust/blob/master/compiler/rustc_codegen_llvm/src/intrinsic.rs

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Any 기본 사용법

이전 섹션에서 Any는 다음을 허용한다고 언급했습니다.

• 변수의 TypeId 얻기
• 변수가 특정 타입인지 확인
• Any를 특정 타입으로 변환
• 타입 이름 가져오기

구체적인 예를 살펴보겠습니다.

use std::any::{Any, TypeId};

struct Person {
    pub name: String,
}

/// TypeId 가져오기
fn is_string(s: &dyn Any) -> bool {
    TypeId::of::<String>() == s.type_id()
}

/// 특정 타입인지 확인
fn check_string(s: &dyn Any) {
    if s.is::<String>() {
        println!("It's a string!");
    } else {
        println!("Not a string...");
    }
}

/// Any를 특정 타입으로 변환
fn print_if_string(s: &dyn Any) {
    if let Some(ss) = s.downcast_ref::<String>() {
        println!("It's a string({}): '{}'", ss.len(), ss);
    } else {
        println!("Not a string...");
    }
}

/// 타입 이름 가져오기
/// 참고: 반환된 이름은 고유하지 않습니다!
/// 예를 들어, type_name::<Option<String>>()은 "Option<String>" 또는 "std::option::Option<std::string::String>"을 반환할 수 있습니다.
/// 그리고 컴파일러 버전에 따라 다를 수 있습니다.
fn get_type_name<T>(_: &T) -> String {
    std::any::type_name::<T>().to_string()
}

fn main() {
    let p = Person { name: "John".to_string() };
    assert!(!is_string(&p));
    assert!(is_string(&p.name));

    check_string(&p);
    check_string(&p.name);

    print_if_string(&p);
    print_if_string(&p.name);

    println!("Type name of p: {}", get_type_name(&p));
    println!("Type name of p.name: {}", get_type_name(&p.name));
}

출력:

Not a string...
It's a string!
Not a string...
It's a string(4): 'John'
Type name of p: 0_any::Person
Type name of p.name: alloc::string::String

요약:

/// TypeId 가져오기 및 비교: type_id
TypeId::of::<String>() == s.type_id()

/// 특정 타입인지 확인: s.is
s.is::<String>()

/// Any를 특정 타입으로 변환: s.downcast_ref
s.downcast_ref::<String>()

/// 타입 이름 가져오기: type_name::<T>()
/// 반환된 이름은 고유하지 않습니다!
/// 예를 들어, type_name::<Option<String>>()은 "Option<String>" 또는 "std::option::Option<std::string::String>"을 반환할 수 있습니다.
/// 그리고 컴파일러 버전에 따라 다를 수 있습니다.
std::any::type_name::<T>().to_string()

Any 사용 사례

Rust에서 Any는 Java의 Object와 유사합니다. 'static 라이프타임을 가진 모든 타입을 전달할 수 있습니다.

따라서 함수 매개변수가 복잡한 시나리오에서 Any를 사용하여 단순화할 수 있습니다.

예를 들어, 모든 타입의 값을 인쇄합니다.

use std::any::Any;
use std::fmt::Debug;

#[derive(Debug)]
struct MyType {
    name: String,
    age: u32,
}

fn print_any<T: Any + Debug>(value: &T) {
    let value_any = value as &dyn Any;

    if let Some(string) = value_any.downcast_ref::<String>() {
        println!("String ({}): {}", string.len(), string);
    } else if let Some(MyType { name, age }) = value_any.downcast_ref::<MyType>() {
        println!("MyType ({}, {})", name, age)
    } else {
        println!("{:?}", value)
    }
}

fn main() {
    let ty = MyType {
        name: "Rust".to_string(),
        age: 30,
    };
    let name = String::from("Rust");

    print_any(&ty);
    print_any(&name);
    print_any(&30);
}

위에서 볼 수 있듯이 String, 사용자 정의 MyType 또는 내장 i32이든 모두 Debug 트레이트를 구현하는 한 인쇄할 수 있습니다.

이를 Rust의 일종의 함수 오버로딩으로 생각할 수 있습니다. 복잡한 구조화된 구성을 읽을 때도 유용하며, Any를 직접 사용할 수 있습니다.

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요약

any 기능은 진정한 런타임 리플렉션이 아니며, 기껏해야 컴파일 타임 리플렉션입니다. Rust는 임의 구조체의 내부 검사가 아닌 타입 검사 및 타입 변환만 활성화합니다.

any 메커니즘은 제로 비용 추상화 철학에 적합합니다. Rust는 실제로 관련 함수를 호출하는 타입에 대해서만 코드를 생성하기 때문입니다. 타입을 검사할 때 추가 오버헤드 없이 컴파일러에서 내부적으로 관리하는 타입 ID를 반환합니다. dyn Any의 동적 바인딩 오버헤드를 피하면서 TypeId::of::<String>()을 직접 사용할 수도 있습니다.

Rust는 리플렉션을 제공하지 않지만 절차적 매크로는 리플렉션이 활성화하는 대부분의 기능을 구현할 수 있습니다!

사실, 초기 버전의 Rust는 리플렉션 기능을 제공했지만 관련 코드는 2014년에 제거되었습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 리플렉션은 struct 내용에 대한 임의 액세스를 허용하여 원래의 캡슐화 원칙을 깨뜨려 안전하지 않게 만들었습니다.
• 리플렉션의 존재로 인해 코드베이스가 비대해졌습니다. 리플렉션을 제거하면 컴파일러가 크게 단순화되었습니다.
• 리플렉션 시스템의 설계가 상대적으로 약해서 개발자는 Rust의 향후 버전에 여전히 포함해야 하는지 확신하지 못했습니다.

Any가 유지되는 이유는 다음과 같습니다.

• 제네릭 타입을 포함하는 코드를 디버깅할 때 TypeId를 사용하면 작업이 더 쉬워지고 더 명확한 오류 메시지를 표시할 수 있습니다.
• 컴파일러가 코드 생성을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

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