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。
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Deref和Drop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。
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。
#[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：
#[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：
#[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。
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
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
fn main() {
let x = Box::new("hello");
println!("{:?}", x.chars())
}
我们可以看一下Box::new的源码
#[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。
#[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
Rc
我们还是通过一个简单的例子来看一下Rc
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。
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。
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
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：
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>和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。
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。
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>和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Drop和Deref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String和Vec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。
