如何为Rust泛型结构体Field实现通用Mul等运算符？

需求概述 #

我定义了带可序列化doc字段的泛型结构体Field<T>，希望Field实例能像内部包含的T类型一样支持运算（以Mul为例）：比如f64与Field<f64>相乘输出f64，f64与Field<uom::si::Quantity>相乘输出Quantity等。

已实现的部分Mul逻辑 #

impl<A, B, C> Mul<B> for &Field<A> where A: Mul<B, Output = C> + Copy {
    type Output = C;
    
    fn mul(self, other: B) -> C {
        self.val * other
    }
}

// 仅针对f64的实现
impl<B, C> Mul<&Field<B>> for f64 where f64: Mul<B, Output = C>, B: Copy {
    type Output = C;
    
    fn mul(self, other: &Field<B>) -> C {
        self * other.val
    }
}

通用实现遇到的问题 #

当替换为通用版本时，编译器出现递归错误，要求为&Field<&Field<&Field<...>>>等嵌套类型实现Mul，但我不需要支持Field嵌套场景：

// 存在问题的通用实现
impl<A, B, C> Mul<&Field<B>> for A where A: Mul<B, Output = C>, B: Copy {
    type Output = C;
    
    fn mul(self, other: &Field<B>) -> C {
        other.val * self
    }
}

完整测试代码 #

use core::ops::Mul;

#[derive(Debug)]
struct Field<T> {
    val: T,
}

impl<T> Field<T> {
    fn new(val: T) -> Self {
        Self { val }
    }
}

fn main() {
    let a = Field::new(1.5);
    let b = Field::new(2.0);

    println!("field0 * field1 = {}", &a * &b);
    println!("4.0 * field1 = {}", 4.0 * &b);
    println!("field0 * 3.0 = {}", &a * 3.0);
}

// 已实现的Mul逻辑和有问题的通用实现...

解决方案 #

要避免递归匹配嵌套Field类型，可以通过标记trait约束来限制A不能是Field或其引用类型，具体步骤如下：

1. 定义标记trait并为非Field类型实现 #

// 标记trait：表示类型不是Field或其引用
pub trait NotField {}

// 为所有类型默认实现，除了Field和&Field
impl<T> NotField for T where T: ?Sized {}
impl<T> !NotField for Field<T> {}
impl<T> !NotField for &Field<T> {}

2. 修改通用Mul实现，添加NotField约束 #

impl<A, B, C> Mul<&Field<B>> for A 
where 
    A: Mul<B, Output = C> + NotField, 
    B: Copy 
{
    type Output = C;
    
    fn mul(self, other: &Field<B>) -> C {
        self * other.val
    }
}

3. 补充Field与Field相乘的实现 #

为了支持&Field<A> * &Field<B>的场景，需要额外实现：

impl<A, B, C> Mul<&Field<B>> for &Field<A> 
where 
    A: Mul<B, Output = C> + Copy, 
    B: Copy 
{
    type Output = C;
    
    fn mul(self, other: &Field<B>) -> C {
        self.val * other.val
    }
}

这样修改后，编译器就不会再尝试匹配嵌套的Field类型，同时保留了所有非Field类型与Field相乘的能力，也支持了Field之间的相乘操作。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kyle Carow