1256e19b50219c98c1b4450aa7d5b2412690ba89
[rust-101.git] / src / part11.rs
1 // Rust-101, Part 11: Trait Objects, Box (WIP)
2 // ===========================================
3
4 //@ Now that we know about closures, let's have some fun with them. We will try to implement some kind of generic "callback"
5 //@ mechanism, providing two functions: Registering a new callback, and calling all registered callbacks. There will be two
6 //@ versions, so to avoid clashes of names, we put them into modules.
7
8 mod callbacks {
9     //@ First of all, we need to find a way to store the callbacks. Clearly, there will be a `Vec` involves, so that we can
10     //@ always grow the number of registered callbacks. A callback will be a closure, i.e., something implementing
11     //@ `FnMut(i32)` (we want to call this multiple times, so clearly `FnOnce` would be no good). So our first attempt may be the following.
12     // For now, we just decide that the callbakcs have an argument of type `i32`.
13     struct CallbacksV1<F: FnMut(i32)> {
14         callbacks: Vec<F>,
15     }
16     //@ However, this will not work. Remember how the "type" of a closure is specific to the environment of captures variables. Different closures
17     //@ all implementing `FnMut(i32)` may be different types. However, a `Vec<F>` is a *uniformly typed* vector.
18
19     //@ We will this need a way to store things of *different* types in the same vector. We know all these types implement `FnMut(i32)`. For this scenario,
20     //@ Rust provides *trait objects*: The truth is, that `FnMut(i32)` is not just a trait. It is also a type, that can be given to anything implementing
21     //@ this trait. So, we may write:
22     /* struct CallbacksV2 {
23         callbacks: Vec<FnMut(i32)>,
24     } */
25     //@ But, Rust complains about this definition. It says something about "Sized". What's the trouble? See, for many things we want to do, it is crucial that
26     //@ Rust knows the precise, fixed size of the type - that is, how large will this type be when represented in memory. For example, for a `Vec`, the
27     //@ elements are stored one right after the other. How should that be possible, without a fixed size? The trouble is, `FnMut(i32)` could be of any size.
28     //@ We don't know how large that "type that implemenets `FnMut(i32)`" is. Rust calls this an *unsized* type. Whenever we introduce a type variable, Rust
29     //@ will implicitly add a bound to that variable, demanding that it is sized. That's why we did not have to worry about this so far.
30     //@ You can, btw, opt-out of this implicit bound by saying `T: ?Sized`. Then `T` may or may not be sized.
31
32     //@ So, what can we do, if we can't store the callbacks in a vector? We can put them in a box. Semantically, `Box<T>` is a lot like `T`: You fully own
33     //@ the data stored there. On the machine, however, `Box<T>` is a *pointer* to `T`. It is a lot like `std::unique_ptr` in C++. In our current example,
34     //@ the important bit is that since it's a pointer, `T` can be unsized, but `Box<T>` itself will always be sized. So we can put it in a `Vec`.
35     struct Callbacks {
36         callbacks: Vec<Box<FnMut(i32)>>,
37     }
38
39     impl Callbacks {
40         // Now we can provide some functions. The constructor should be straight-forward.
41         fn new() -> Self {
42             Callbacks { callbacks: Vec::new() }                     /*@*/
43         }
44
45         // Registration simply stores the callback.
46         fn register(&mut self, callback: Box<FnMut(i32)>) {
47             self.callbacks.push(callback);                          /*@*/
48         }
49
50         // And here we call all the stored callbacks.
51         fn call(&mut self, val: i32) {
52             // Since they are of type `FnMut`, we need to mutably iterate. Notice that boxes dereference implicitly.
53             for callback in self.callbacks.iter_mut() {
54                 callback(val);                                      /*@*/
55             }
56         }
57     }
58
59     // Now we are read for the demo.
60     pub fn demo() {
61         let mut c = Callbacks::new();
62         c.register(Box::new(|val| println!("Callback 1: {}", val)));
63
64         c.call(0);
65
66         //@ We can even register callbacks that modify their environment. Rust will again attempt to borrow `count`. However,
67         //@ that doesn't work out this time: Since we want to put this thing in a `Box`, it could live longer than the function
68         //@ we are in. Then the borrow of `count` would become invalid. However, we can tell rust to `move` ownership of the
69         //@ variable into the closure. Its environment will then contain an `usize` rather than a `&mut uszie`, and have
70         //@ no effect on this local variable anymore.
71         let mut count: usize = 0;
72         c.register(Box::new(move |val| { count = count+1; println!("Callback 2, {}. time: {}", count, val); } ));
73         c.call(1);
74         c.call(2);
75     }
76
77 }
78
79 // Remember to edit `main.rs` to run the demo.
80 pub fn main() {
81     callbacks::demo();
82 }
83
84 mod callbacks_clone {
85     //@ So, this worked great, didn't it! There's one point though that I'd like to emphasize: One cannot `clone` a closure.
86     //@ Hence it becomes impossibly to implement `Clone` for our `Callbacks` type. What could we do about this?
87
88     //@ You already learned about `Box` above. `Box` is historically a very special type in Rust (though it lost most of its
89     //@ particularities by now, and people are working on making it just a normal library type). Effectively, however, it is
90     //@ just an example of a *smart pointer*: It's like a pointer (i.e., a borrow), but with some additional smarts to it. For
91     //@ `Box`, that's the part about ownership. Once you drop the box, the content it points to will also be deleted.
92     //@ 
93     //@ Another example of a smart pointer in Rust is `Rc<T>`. This is short for *reference-counter*, so you can already guess how
94     //@ this pointer is smart: It has a reference count. You can `clone` an `Rc` as often as you want, that doesn't affect the
95     //@ data it contains at all. It only creates more references to the same data. Once all the references are gone, the data is
96     //@ deleted.
97     //@ 
98     //@ Wait a moment, you may here. Multiple references to the same data? That's aliasing! Indeed, we have to be careful here.
99     //@ Once data is stored in an `Rc`, is is read-only: By dereferencing the smart `Rc`, you can only get a shared borrow of the data.
100     use std::rc;
101
102     //@ Because of this read-only restriction, we cannot use `FnMut` here: We'd be unable to call the function with a mutable borrow
103     //@ of it's environment! So we have to go with `Fn`. We wrap that in an `Rc`, and then Rust happily derives `Clone` for us.
104     #[derive(Clone)]
105     struct Callbacks {
106         callbacks: Vec<rc::Rc<Fn(i32)>>,
107     }
108
109     // The methods on these clonable callbacks are just like the ones above.
110     impl Callbacks {
111         fn new() -> Self {
112             Callbacks { callbacks: Vec::new() }                     /*@*/
113         }
114
115         fn register(&mut self, callback: rc::Rc<Fn(i32)>) {
116             self.callbacks.push(callback);                          /*@*/
117         }
118
119         fn call(&mut self, val: i32) {
120             // We only need a shared iterator here. `Rc` also implicitly dereferences, so we can just call the callback.
121             for callback in self.callbacks.iter() {
122                 callback(val);                                      /*@*/
123             }
124         }
125     }
126
127     // The demo works just as above. Our counting callback doesn't work anymore though, because we are using `Fn` now.
128     fn demo() {
129         let mut c = Callbacks::new();
130         c.register(rc::Rc::new(|val| println!("Callback 1: {}", val)));
131
132         c.call(0);
133         c.call(1);
134     }
135 }
136
137 // **Exercise 11.1**: We made the arbitrary choice of using `i32` for the arguments. Generalize the data-structures above
138 // to work with an arbitrary type `T` that's passed to the callbacks. Since you need to call multiple callbacks with the
139 // same `t: T`, you will either have to restrict `T` to `Copy` types, or pass a borrow.
140
141 //@ [index](main.html) | [previous](part10.html) | [next](main.html)