Rust入坑指南:智能指针

在了解了Rust中的所有权、所有权借用、生命周期这些概念后,相信各位坑友对Rust已经有了比较深刻的认识了,今天又是一个连环坑,我们一起来把智能指针刨出来,一探究竟。

智能指针是Rust中一种特殊的数据结构。它与普通指针的本质区别在于普通指针是对值的借用,而智能指针通常拥有对数据的所有权。在Rust中,如果你想要在堆内存中定义一个对象,并不是像Java中那样直接new一个,也不是像C语言中那样需要手动malloc函数来分配内存空间。Rust中使用的是Box::new来对数据进行封箱,而Box<T>就是我们今天要介绍的智能指针之一。除了Box<T>之外,Rust标准库中提供的智能指针还有Rc<T>Ref<T>RefCell<T>等等。在详细介绍之前,我们还是先了解一下智能指针的基本概念。

基本概念

我们说Rust的智能指针是一种特殊的数据结构,那么它特殊在哪呢?它与普通数据结构的区别在于智能指针实现了DerefDrop这两个traits。实现Deref可以使智能指针能够解引用,而实现Drop则使智能指针具有自动析构的能力。

Deref

Deref有一个特性是强制隐式转换:如果一个类型T实现了Deref<Target=U>,则该类型T的引用在应用的时候会被自动转换为类型U

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use std::rc::Rc;
fn main() {
let x = Rc::new("hello");
println!("{:?}", x.chars());
}

如果你查看Rc的源码,会发现它并没有实现chars()方法,但我们上面这段代码却可以直接调用,这是因为Rc实现了Deref。

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#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
impl<T: ?Sized> Deref for Rc<T> {
type Target = T;

#[inline(always)]
fn deref(&self) -> &T {
&self.inner().value
}
}

这就使得智能指针在使用时被自动解引用,像是不存在一样。

Deref的内部实现是这样的:

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#[lang = "deref"]
#[doc(alias = "*")]
#[doc(alias = "&*")]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait Deref {
/// The resulting type after dereferencing.
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
type Target: ?Sized;

/// Dereferences the value.
#[must_use]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn deref(&self) -> &Self::Target;
}

#[lang = "deref_mut"]
#[doc(alias = "*")]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait DerefMut: Deref {
/// Mutably dereferences the value.
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target;
}

DerefMut和Deref类似,只不过它是返回可变引用的。

Drop

Drop对于智能指针非常重要,它是在智能指针被丢弃时自动执行一些清理工作,这里所说的清理工作并不仅限于释放堆内存,还包括一些释放文件和网络连接等工作。之前我总是把Drop理解成Java中的GC,随着对它的深入了解后,我发现它比GC要强大许多。

Drop的内部实现是这样的:

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#[lang = "drop"]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait Drop {
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn drop(&mut self);
}

这里只有一个drop方法,实现了Drop的结构体,在消亡之前,都会调用drop方法。

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use std::ops::Drop;
#[derive(Debug)]
struct S(i32);

impl Drop for S {
fn drop(&mut self) {
println!("drop {}", self.0);
}
}

fn main() {
let x = S(1);
println!("create x: {:?}", x);
{
let y = S(2);
println!("create y: {:?}", y);
}
}

上面代码的执行结果为

结果

可以看到x和y在生命周期结束时都去执行了drop方法。

对智能指针的基本概念就先介绍到这里,下面我们进入正题,具体来看看每个智能指针都有什么特点吧。

Box

前面我们已经提到了Box在Rust中是用来在堆内存中保存数据使用的。它的使用方法非常简单:

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fn main() {
let x = Box::new("hello");
println!("{:?}", x.chars())
}

我们可以看一下Box::new的源码

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#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[inline(always)]
pub fn new(x: T) -> Box<T> {
box x
}

可以看到这里只有一个box关键字,这个关键字是用来进行堆内存分配的,它只能在Rust源码内部使用。box关键字会调用Rust内部的exchange_malloc和box_free方法来管理内存。

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#[cfg(not(test))]
#[lang = "exchange_malloc"]
#[inline]
unsafe fn exchange_malloc(size: usize, align: usize) -> *mut u8 {
if size == 0 {
align as *mut u8
} else {
let layout = Layout::from_size_align_unchecked(size, align);
let ptr = alloc(layout);
if !ptr.is_null() {
ptr
} else {
handle_alloc_error(layout)
}
}
}

#[cfg_attr(not(test), lang = "box_free")]
#[inline]
pub(crate) unsafe fn box_free<T: ?Sized>(ptr: Unique<T>) {
let ptr = ptr.as_ptr();
let size = size_of_val(&*ptr);
let align = min_align_of_val(&*ptr);
// We do not allocate for Box<T> when T is ZST, so deallocation is also not necessary.
if size != 0 {
let layout = Layout::from_size_align_unchecked(size, align);
dealloc(ptr as *mut u8, layout);
}
}

Rc

在前面的学习中,我们知道Rust中一个值在同一时间只能有一个变量拥有其所有权,但有时我们可能会需要多个变量拥有所有权,例如在图结构中,两个图可能对同一条边拥有所有权。

对于这样的情况,Rust为我们提供了智能指针Rc(reference counting)来解决共享所有权的问题。每当我们通过Rc共享一个所有权时,引用计数就会加一。当引用计数为0时,该值才会被析构。

Rc是单线程引用计数指针,不是线程安全类型。

我们还是通过一个简单的例子来看一下Rc的应用吧。(示例来自the book

如果我们想要造一个“双头”的链表,如下图所示,3和4都指向5。我们先来尝试使用Box实现。

双头链表

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enum List {
Cons(i32, Box<List>),
Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
let a = Cons(5,
Box::new(Cons(10,
Box::new(Nil))));
let b = Cons(3, Box::new(a));
let c = Cons(4, Box::new(a));
}

上述代码在编译时就会报错,因为a绑定给了b以后就无法再绑定给c了。

Box无法共享所有权

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enum List {
Cons(i32, Rc<List>),
Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;

fn main() {
let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
let c = Cons(4, Rc::clone(&a));
println!("count a {}", Rc::strong_count(&a));
}

这时我们可以看到a的引用计数是3,这是因为这里计算的是节点5的引用计数,而a本身也是对5的一次绑定。这种通过clone方法共享所有权的引用称作强引用

Rust还为我们提供了另一种智能指针Weak,你可以把它当作是Rc的另一个版本。它提供的引用属于弱引用。它共享的指针没有所有权。但他可以帮助我们有效的避免循环引用。

RefCell

前文中我们聊过变量的可变性和不可变性,主要是针对变量的。按照前面所讲的,对于结构体来说,我们也只能控制它的整个实例是否可变。实例的具体某个成员是否可变我们是控制不了的。但在实际开发中,这样的场景也是比较常见的。比如我们有一个User结构体:

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struct User {
id: i32,
name: str,
age: u8,
}

通常情况下,我们只能修改一个人的名称或者年龄,而不能修改用户的id。如果我们把User的实例设置成了可变状态,那就不能保证别人不会去修改id。

为了应对这种情况,Rust为我们提供了Cell<T>RefCell<T>。它们本质上不属于智能指针,而是可以提供内部可变性的容器。内部可变性实际上是一种设计模式,它的内部是通过一些unsafe代码来实现的。

我们先来看一下Cell<T>的使用方法吧。

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use std::cell::Cell;
struct Foo {
x: u32,
y: Cell<u32>,
}

fn main() {
let foo = Foo { x: 1, y: Cell::new(3)};
assert_eq!(1, foo.x);
assert_eq!(3, foo.y.get());
foo.y.set(5);
assert_eq!(5, foo.y.get());
}

我们可以使用Cell的set/get方法来设置/获取起内部的值。这有点像我们在Java实体类中的setter/getter方法。这里有一点需要注意:Cell<T>中包裹的T必须要实现Copy才能够使用get方法,如果没有实现Copy,则需要使用Cell提供的get_mut方法来返回可变借用,而set方法在任何情况下都可以使用。由此可见Cell并没有违反借用规则。

对于没有实现Copy的类型,使用Cell<T>还是比较不方便的,还好Rust还提供了RefCell<T>。话不多说,我们直接来看代码。

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use std::cell::RefCell;
fn main() {
let x = RefCell::new(vec![1, 2, 3]);
println!("{:?}", x.borrow());
x.borrow_mut().push(5);
println!("{:?}", x.borrow());
}

从上面这段代码中我们可以观察到RefCell<T>的borrow_mut和borrow方法对应了Cell<T>中的set和get方法。

RefCell<T>Cell<T>还有一点区别是:Cell<T>没有运行时开销(不过也不要用它包裹大的数据结构),而RefCell<T>是有运行时开销的,这是因为使用RefCell<T>时需要维护一个借用检查器,如果违反借用规则,则会引起线程恐慌。

总结

关于智能指针我们就先介绍这么多,现在我们简单总结一下。Rust的智能指针为我们提供了很多有用的功能,智能指针的一个特点就是实现了DropDeref这两个trait。其中Droptrait中提供了drop方法,在析构时会去调用。Dereftrait提供了自动解引用的能力,让我们在使用智能指针的时候不需要再手动解引用了。

接着我们分别介绍了几种常见的智能指针。Box<T>可以帮助我们在堆内存中分配值,Rc<T>为我们提供了多次借用的能力。RefCell<T>使内部可变性成为现实。

最后再多说一点,其实我们以前见到过的StringVec也属于智能指针。

至于它们为什么属于智能指针,Rust又提供了哪些其他的智能指针呢?这里就留个坑吧,感兴趣的同学可以自己踩一下。

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