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# 25｜类型系统：如何围绕trait来设计和架构系统？
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你好，我是陈天。
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Trait，trait，trait，怎么又是 trait？how old are you?
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希望你还没有厌倦我们没完没了地聊关于 trait 的话题。因为 trait 在 Rust 开发中的地位，怎么吹都不为过。
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其实不光是 Rust 中的 trait，任何一门语言，和接口处理相关的概念，都是那门语言在使用过程中最重要的概念。**软件开发的整个行为，基本上可以说是不断创建和迭代接口，然后在这些接口上进行实现的过程**。
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在这个过程中，有些接口是标准化的，雷打不动，就像钢筋、砖瓦、螺丝、钉子、插座等这些材料一样，无论要构筑的房子是什么样子的，这些标准组件的接口在确定下来后，都不会改变，它们就像 Rust 语言标准库中的标准 trait 一样。
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而有些接口是跟构造的房子息息相关的，比如门窗、电器、家具等，它们就像你要设计的系统中的 trait 一样，可以把系统的各个部分联结起来，最终呈现给用户一个完整的使用体验。
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之前讲了trait 的基础知识，也介绍了如何在实战中使用 trait 和 trait object。今天，我们再花一讲的时间，来看看如何围绕着 trait 来设计和架构系统。
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由于在讲架构和设计时，不免要引入需求，然后我需要解释这需求的来龙去脉，再提供设计思路，再介绍 trait 在其中的作用，但这样下来，一堂课的内容能讲好一个系统设计就不错了。所以我们换个方式，把之前设计过的系统捋一下，重温它们的 trait 设计，看看其中的思路以及取舍。
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## 用 trait 让代码自然舒服好用
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在[第 5 讲](https://time.geekbang.org/column/article/413634)，thumbor 的项目里，我设计了一个 SpecTransform trait，通过它可以统一处理任意类型的、描述我们希望如何处理图片的 spec：
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```protobuf
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// 一个 spec 可以包含上述的处理方式之一（这是 protobuf 定义）
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message Spec {
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oneof data {
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Resize resize = 1;
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Crop crop = 2;
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Flipv flipv = 3;
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Fliph fliph = 4;
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Contrast contrast = 5;
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Filter filter = 6;
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Watermark watermark = 7;
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}
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}
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```
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SpecTransform trait 的定义如下（[代码](https://github.com/tyrchen/geektime-rust/blob/master/05_thumbor/src/engine/mod.rs#L16)）：
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```rust
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// SpecTransform：未来如果添加更多的 spec，只需要实现它即可
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pub trait SpecTransform<T> {
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// 对图片使用 op 做 transform
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fn transform(&mut self, op: T);
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}
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```
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它可以用来对图片使用某个 spec 进行处理。
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但如果你阅读 GitHub 上的源码，你可能会发现一个没用到的文件 [imageproc.rs](http://imageproc.rs) 中类似的 trait（[代码](https://github.com/tyrchen/geektime-rust/blob/master/05_thumbor/src/imageproc.rs#L41)）：
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```rust
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pub trait ImageTransform {
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fn transform(&self, image: &mut PhotonImage);
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}
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```
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这个 trait 是第一版的 trait。我依旧保留着它，就是想在此展示一下 trait 设计上的取舍。
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当你审视这段代码的时候会不会觉得，这个 trait 的设计有些草率？因为如果传入的 image 来自不同的图片处理引擎，而某个图片引擎提供的 image 类型不是 PhotonImage，那这个接口不就无法使用了么？
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hmm，这是个设计上的大问题啊。想想看，以目前所学的知识，怎么解决这个问题呢？什么可以帮助我们延迟 image 是否必须是 PhotonImage 的决策呢？
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对，泛型。我们可以使用泛型 trait 修改一下刚才那段代码：
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```rust
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// 使用 trait 可以统一处理的接口，以后无论增加多少功能，只需要加新的 Spec，然后实现 ImageTransform 接口
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pub trait ImageTransform<Image> {
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fn transform(&self, image: &mut Image);
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}
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```
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把传入的 image 类型抽象成泛型类型之后，延迟了图片类型判断和支持的决策，可用性更高。
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但如果你继续对比现在的 ImageTransform和之前写的 SpecTransform，会发现，它们实现 trait 的数据结构和用在 trait 上的泛型参数，正好掉了个个。
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你看，PhotonImage 下对于 Contrast 的 ImageTransform 的实现：
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```rust
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impl ImageTransform<PhotonImage> for Contrast {
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fn transform(&self, image: &mut Image) {
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effects::adjust_contrast(image, self.contrast);
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}
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}
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```
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而同样的，PhotonImage 下对 Contract 的 SpecTransform 的实现：
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```rust
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impl SpecTransform<&Contrast> for Photon {
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fn transform(&mut self, op: &Contrast) {
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effects::adjust_contrast(&mut self.0, op.contrast);
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}
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}
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```
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这两种方式基本上等价，但一个围绕着 Spec 展开，一个围绕着 Image 展开：
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那么，哪种设计更好呢？
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其实二者并没有功能上或者性能上的优劣。
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那为什么我选择了 SpecTransform 的设计呢？在第一版的设计我还没有考虑 Engine的时候，是以 Spec 为中心的；但在把 Engine 考虑进去后，我以 Engine 为中心重新做了设计，这样做的好处是，开发新的 Engine 的时候，SpecTransform trait 用起来更顺手，更自然一些。
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嗯，顺手，自然。接口的设计一定要关注使用者的体验，一个使用起来感觉自然顺手舒服的接口，就是更好的接口。**因为这意味着使用的时候，代码可以自然而然写出来，而无需看文档**。
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比如同样是 Python 代码：
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```python
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df[df["age"] > 10]
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```
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就要比：
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```python
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df.filter(df.col("age").gt(10))
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```
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要更加自然舒服。前面的代码，你看一眼别人怎么用，自己就很快能写出来，而后者，你需要先搞清楚 filter 函数是怎么回事，以及col()、gt() 这两个方法如何使用。
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我们再来看来两段 Rust 代码。这行使用了 From/Into trait 的代码：
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```rust
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let url = generate_url_with_spec(image_spec.into());
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```
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就要比：
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```rust
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let data = image_spec.encode_to_vec();
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let s = encode_config(data, URL_SAFE_NO_PAD);
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let url = generate_url_with_spec(s);
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```
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要简洁、自然得多。它把实现细节都屏蔽了起来，只让用户关心他们需要关心的逻辑。
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所以，我们在设计 trait 的时候，除了关注功能，还要注意是否好用、易用。这也是为什么我们在介绍 KV server 的时候，不断强调，trait 在设计结束之后，不要先着急撰写实现 trait 的代码，而是最好先写一些对于 trait 使用的测试代码。
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你在写这些测试代码的使用体验，就是别人在使用你的 trait 构建系统时的真实体验，如果它用起来别扭、啰嗦，不看文档就不容易用对，那这个 trait 本身还有待进一步迭代。
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## 用 trait 做桥接
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在软件开发的绝大多数时候，我们都不会从零到一完完全全设计和构建系统的所有部分。就像盖房子，不可能从一抔土、一块瓦片开始打造。我们需要依赖生态系统中已有的组件。
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作为架构师，你的职责是在生态系统中找到合适的组件，连同你自己打造的部分，一起粘合起来，形成一个产品。所以，你会遇到那些接口与你预期不符的组件，可是自己又无法改变那些组件来让接口满足你的预期，怎么办？
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此刻，我们需要桥接。
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就像要用的电器是二相插口，而附近墙上的插座只有三相插口，我们总不能修改电器或者墙上的插座，使其满足对方吧？正确的做法是购置一个多项插座来桥接二者。
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在 Rust 里，桥接的工作可以通过函数来完成，但最好通过 trait 来桥接。继续看[第 5 讲](https://time.geekbang.org/column/article/413634) thumbor 里的另一个 trait Engine（[代码](https://github.com/tyrchen/geektime-rust/blob/master/05_thumbor/src/engine/mod.rs#L8)）：
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```rust
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// Engine trait：未来可以添加更多的 engine，主流程只需要替换 engine
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pub trait Engine {
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// 对 engine 按照 specs 进行一系列有序的处理
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fn apply(&mut self, specs: &[Spec]);
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// 从 engine 中生成目标图片，注意这里用的是 self，而非 self 的引用
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fn generate(self, format: ImageOutputFormat) -> Vec<u8>;
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}
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```
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通过 Engine 这个 trait，我们把第三方的库 photon和自己设计的 Image Spec 连接起来，使得我们不用关心 Engine 背后究竟是什么，只需要调用 apply 和 generate 方法即可：
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```rust
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// 使用 image engine 处理
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let mut engine: Photon = data
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.try_into()
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.map_err(|_| StatusCode::INTERNAL_SERVER_ERROR)?;
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engine.apply(&spec.specs);
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let image = engine.generate(ImageOutputFormat::Jpeg(85));
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```
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这段代码中，由于之前为 Photon 实现了 TryFrom<Bytes>，所以可以直接调用 try\_into() 来得到一个 photon engine：
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```rust
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// 从 Bytes 转换成 Photon 结构
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impl TryFrom<Bytes> for Photon {
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type Error = anyhow::Error;
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fn try_from(data: Bytes) -> Result<Self, Self::Error> {
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Ok(Self(open_image_from_bytes(&data)?))
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}
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}
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```
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就桥接 thumbor 代码和 photon crate 而言，Engine 表现良好，它让我们不但很容易使用 photon crate，还可以很方便在未来需要的时候替换掉 photon crate。
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不过，Engine 在构造时，所做的桥接还是不够直观和自然，如果不仔细看代码或者文档，使用者可能并不清楚，第3行代码，如何通过 TryFrom/TryInto 得到一个实现了 Engine 的结构。从这个使用体验来看，我们会希望通过使用 Engine trait，任何一个图片引擎都可以统一地创建 Engine结构。怎么办？
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可以为这个 trait 添加一个缺省的 create 方法：
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```rust
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// Engine trait：未来可以添加更多的 engine，主流程只需要替换 engine
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pub trait Engine {
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// 生成一个新的 engine
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fn create<T>(data: T) -> Result<Self>
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where
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Self: Sized,
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T: TryInto<Self>,
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{
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data.try_into()
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.map_err(|_| anyhow!("failed to create engine"))
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}
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// 对 engine 按照 specs 进行一系列有序的处理
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fn apply(&mut self, specs: &[Spec]);
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// 从 engine 中生成目标图片，注意这里用的是 self，而非 self 的引用
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fn generate(self, format: ImageOutputFormat) -> Vec<u8>;
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}
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```
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注意看新 create 方法的约束：任何 T，只要实现了相应的 TryFrom/TryInto，就可以用这个缺省的 create() 方法来构造 Engine。
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有了这个接口后，上面使用 engine 的代码可以更加直观，省掉了第3行的try\_into()处理：
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```rust
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// 使用 image engine 处理
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let mut engine = Photon::create(data)
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.map_err(|_| StatusCode::INTERNAL_SERVER_ERROR)?;
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engine.apply(&spec.specs);
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let image = engine.generate(ImageOutputFormat::Jpeg(85));
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```
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桥接是架构中一个非常重要的思想，我们一定要掌握这个思想的精髓。
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再举个例子。比如现在想要系统可以通过访问某个 REST API，得到用户自己发布的、按时间顺序倒排的朋友圈。怎么写这段代码呢？最简单粗暴的方式是：
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```rust
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let secret_api = api_with_user_token(&user, params);
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let data: Vec<Status> = reqwest::get(secret_api)?.json()?;
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```
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更好的方式是使用 trait 桥接来屏蔽实现细节：
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```rust
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pub trait FriendCircle {
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fn get_published(&self, user: &User) -> Result<Vec<Status>, FriendCircleError>;
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...
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}
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```
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这样，我们的业务逻辑代码可以围绕着这个接口展开，而无需关心它具体的实现是来自 REST API，还是其它什么地方；也不用关心实现做没做 cache、有没有重传机制、具体都会返回什么样的错误（FriendCircleError 就已经提供了所有的出错可能）等等。
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## 使用 trait 提供控制反转
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继续看刚才的Engine 代码，在 Engine 和 T 之间通过 TryInto trait 进行了解耦，使得调用者可以灵活处理他们的 T：
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```rust
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pub trait Engine {
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// 生成一个新的 engine
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fn create<T>(data: T) -> Result<Self>
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where
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Self: Sized,
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T: TryInto<Self>,
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{
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data.try_into()
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.map_err(|_| anyhow!("failed to create engine"))
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}
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|
...
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}
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```
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这里还体现了trait 在设计中，另一个很重要的作用，控制反转。
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通过使用 trait，我们可以在设计底层库的时候告诉上层：**我需要某个满足 trait X 的数据，因为我依赖这个数据实现的 trait X 方法来完成某些功能，但这个数据具体怎么实现，我不知道，也不关心**。
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刚才为 Engine 新构建的 create 方法。T 是实现 Engine 所需要的依赖，我们不知道属于类型 T 的 data 是如何在上下文中产生的，也不关心 T 具体是什么，只要 T 实现了 TryInto<Self> 即可。这就是典型的控制反转。
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使用 trait 做控制反转另一个例子是[第 6 讲](https://time.geekbang.org/column/article/414478)中的 [Dialect trait](https://docs.rs/sqlparser/0.12.0/sqlparser/dialect/trait.Dialect.html)（[代码](https://docs.rs/sqlparser/0.12.0/src/sqlparser/dialect/mod.rs.html#43-56)）：
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```rust
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pub trait Dialect: Debug + Any {
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/// Determine if a character starts a quoted identifier. The default
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/// implementation, accepting "double quoted" ids is both ANSI-compliant
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/// and appropriate for most dialects (with the notable exception of
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/// MySQL, MS SQL, and sqlite). You can accept one of characters listed
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/// in `Word::matching_end_quote` here
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fn is_delimited_identifier_start(&self, ch: char) -> bool {
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ch == '"'
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}
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/// Determine if a character is a valid start character for an unquoted identifier
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fn is_identifier_start(&self, ch: char) -> bool;
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/// Determine if a character is a valid unquoted identifier character
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fn is_identifier_part(&self, ch: char) -> bool;
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}
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```
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我们只需要为自己的 SQL 方言实现 Dialect trait：
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```rust
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// 创建自己的 sql 方言。TyrDialect 支持 identifier 可以是简单的 url
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impl Dialect for TyrDialect {
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fn is_identifier_start(&self, ch: char) -> bool {
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('a'..='z').contains(&ch) || ('A'..='Z').contains(&ch) || ch == '_'
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}
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// identifier 可以有 ':', '/', '?', '&', '='
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fn is_identifier_part(&self, ch: char) -> bool {
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('a'..='z').contains(&ch)
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|| ('A'..='Z').contains(&ch)
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|| ('0'..='9').contains(&ch)
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|| [':', '/', '?', '&', '=', '-', '_', '.'].contains(&ch)
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}
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}
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```
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就可以让 sql parser 解析我们的 SQL 方言：
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```rust
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let ast = Parser::parse_sql(&TyrDialect::default(), sql.as_ref())?;
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```
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这就是 Dialect 这个看似简单的 trait 的强大用途。
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对于我们这些使用者来说，通过Dialect trait，可以很方便地注入自己的解析函数，来提供我们的 SQL 方言的额外信息；对于 sqlparser 这个库的作者来说，通过 Dialect trait，他不必关心未来会有多少方言、每个方言长什么样子，只需要方言的作者告诉他如何 tokenize 一个标识符即可。
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控制反转是架构中经常使用到的功能，它能够**让调用者和被调用者之间的关系在某个时刻调转过来，被调用者反过来调用调用者提供的能力，二者协同完成一些事情**。
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比如 MapReduce 的架构：用于 map 的方法和用于 reduce 的方法是啥，MapReduce 的架构设计者并不清楚，但调用者可以把这些方法提供给 MapReduce 架构，由 MapReduce 架构在合适的时候进行调用。
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当然，控制反转并非只能由 trait 来完成，但使用 trait 做控制反转会非常灵活，调用者和被调用者只需要关心它们之间的接口，而非具体的数据结构。
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## 用 trait 实现 SOLID 原则
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其实刚才介绍的用 trait 做控制反转，核心体现的就是面向对象设计时SOLID原则中的，依赖反转原则DIP，这是一个很重要的构建灵活系统的思想。
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在做面向对象设计时，我们经常会探讨 [SOLID 原则](https://en.wikipedia.org/wiki/SOLID)：
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* SRP：单一职责原则，是指每个模块应该只负责单一的功能，不应该让多个功能耦合在一起，而是应该将其组合在一起。
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* OCP：开闭原则，是指软件系统应该对修改关闭，而对扩展开放。
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* LSP：里氏替换原则，是指如果组件可替换，那么这些可替换的组件应该遵守相同的约束，或者说接口。
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* ISP：接口隔离原则，是指使用者只需要知道他们感兴趣的方法，而不该被迫了解和使用对他们来说无用的方法或者功能。
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* DIP：依赖反转原则，是指某些场合下底层代码应该依赖高层代码，而非高层代码去依赖底层代码。
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虽然 Rust 不是一门面向对象语言，但这些思想都是通用的。
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在过去的课程中，我一直强调 SRP 和 OCP。你看[第 6 讲](https://time.geekbang.org/column/article/414478)的 Fetch / Load trait，它们都只负责一个很简单的动作：
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```rust
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#[async_trait]
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pub trait Fetch {
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type Error;
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async fn fetch(&self) -> Result<String, Self::Error>;
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}
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pub trait Load {
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type Error;
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fn load(self) -> Result<DataSet, Self::Error>;
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}
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```
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以 Fetch 为例，我们先实现了 UrlFetcher，后来又根据需要，实现了 FileFetcher。
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FileFetcher 的实现并不会对 UrlFetcher 的实现代码有任何影响，也就是说，在实现 FileFetcher 的时候，已有的所有实现了 Fetch 接口的代码都是稳定的，它们对修改是关闭的；同时，在实现 FileFetcher 的时候，我们扩展了系统的能力，使系统可以根据不同的前缀（`from file://` 或者 `from <http://`\>）进行不同的处理，这是对扩展开放。
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前面提到的 SpecTransform / Engine trait，包括 [21 讲](https://time.geekbang.org/column/article/425001)中 KV server 里涉及的 CommandService trait：
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```rust
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/// 对 Command 的处理的抽象
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pub trait CommandService {
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/// 处理 Command，返回 Response
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fn execute(self, store: &impl Storage) -> CommandResponse;
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}
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```
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也是 SRP 和 OCP 原则的践行者。
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LSP 里氏替换原则自不必说，我们本文中所有的内容都在践行通过使用接口，来使组件可替换。比如上文提到的 Engine trait，在 KV server 中我们使用的 Storage trait，都允许我们在不改变代码核心逻辑的前提下，替换其中的主要组件。
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至于 ISP 接口隔离原则，我们目前撰写的 trait 都很简单，天然满足接口隔离原则。其实，大部分时候，当你的 trait 满足 SRP 单一职责原则时，它也满足接口隔离原则。
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但在 Rust 中，有些 trait 的接口可能会比较庞杂，**此时，如果我们想减轻调用者的负担，让它们能够在需要的时候才引入某些接口，可以使用 trait 的继承**。比如 AsyncRead / AsyncWrite / Stream 和它们对应的 AsyncReadExt / AsyncWriteExt / StreamExt 等。这样，复杂的接口被不同的 trait 分担了并隔离开。
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## 小结
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接口设计是架构设计中最核心的环节。**好的接口容易使用，很难误用，会让使用接口的人产生共鸣**。当我们说一段代码读起来/写起来感觉很舒服，或者很不舒服、很冗长、很难看，这种感觉往往就来自于接口给人的感觉，我们可以妥善使用 trait 来降低甚至消除这种不舒服的感觉。
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当我们的代码和其他人的代码共存时，接口在不同的组件之间就起到了桥接的作用。通过桥接，甚至可以把原本设计不好的代码，先用接口封装成我们希望的样子，然后实现这个简单的包装，之后再慢慢改动原先不好的设计。
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这样，由于系统的其它部分使用新的接口处理，未来改动的影响被控制在很小的范围。在第 5 讲设计 thumbor 的时候我也提到，photon 库并不是一个设计良好的库，然而，通过 Engine trait 的桥接，未来即使我们 fork 一下 photon 库，对其大改，并不会影响 thumbor 的代码。
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最后，在软件设计时，我们还要注意 SOLID 原则。基本上，**好的 trait，设计一定是符合 SOLID 原则的**，从 Rust 标准库的设计，以及之前讲到的 trait，结合今天的解读，想必你对此有了一定的认识。未来在使用 trait 构建你自己的接口时，你也可以将 SOLID 原则作为一个备忘清单，随时检查。
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### 思考题
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Rust 下有一个处理 Web 前端的库叫 [yew](https://github.com/yewstack/yew)。请 clone 到你本地，然后使用 ag 或者 rgrep（eat our own dogfood）查找一下所有的 trait 定义，看看这些 trait 被设计的目的和意义，并且着重阅读一下它最核心的 Component trait，思考几个问题：
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1. Component trait 可以做 trait object 么？
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2. 关联类型 Message 和 Properties 的作用是什么？
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3. 作为使用者，该如何用 Component trait？它的 lifecycle 是什么样子的？
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4. 如果你之前有前端开发的经验，比较一下 React / Vue / Elm component 和 yew component 的区别？
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```rust
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yew on master via 🦀 v1.55.0
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❯ rgrep "pub trait" "**/*.rs"
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examples/router/src/generator.rs
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155:1 pub trait Generated: Sized {
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packages/yew/src/html/component/mod.rs
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42:1 pub trait Component: Sized + 'static {
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packages/yew/src/html/component/properties.rs
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6:1 pub trait Properties: PartialEq {
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examples/boids/src/math.rs
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128:1 pub trait WeightedMean<T = Self>: Sized {
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152:1 pub trait Mean<T = Self>: Sized {
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packages/yew/src/functional/mod.rs
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69:1 pub trait FunctionProvider {
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packages/yew/src/html/conversion.rs
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5:1 pub trait ImplicitClone: Clone {}
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18:1 pub trait IntoPropValue<T> {
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packages/yew/src/html/listener/mod.rs
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27:1 pub trait TargetCast
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136:1 pub trait IntoEventCallback<EVENT> {
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packages/yew/src/scheduler.rs
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11:1 pub trait Runnable {
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packages/yew-router/src/routable.rs
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16:1 pub trait Routable: Sized + Clone {
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packages/yew-agent/src/pool.rs
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60:1 pub trait Dispatched: Agent + Sized + 'static {
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78:1 pub trait Dispatchable {}
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packages/yew/src/html/component/scope.rs
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508:1 pub trait SendAsMessage<COMP: Component> {
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packages/yew-macro/src/stringify.rs
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16:1 pub trait Stringify {
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packages/yew-agent/src/lib.rs
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22:1 pub trait Agent: Sized + 'static {
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82:1 pub trait Discoverer {
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92:1 pub trait Bridge<AGN: Agent> {
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98:1 pub trait Bridged: Agent + Sized + 'static {
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packages/yew-agent/src/utils/store.rs
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20:1 pub trait Store: Sized + 'static {
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138:1 pub trait Bridgeable: Sized + 'static {
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packages/yew-macro/src/html_tree/mod.rs
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178:1 pub trait ToNodeIterator {
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packages/yew/src/virtual_dom/listeners.rs
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42:1 pub trait Listener {
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packages/yew-agent/src/worker/mod.rs
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17:1 pub trait Threaded {
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24:1 pub trait Packed {
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```
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感谢你的阅读，如果你觉得有收获，也欢迎你分享给身边的朋友，邀他一起讨论。今天你已经完成Rust学习的第25次打卡啦，我们下节课见！
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