[易学易懂系列|rustlang语言|零基础|快速入门|（21）|智能指针]

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实用知识

智能指针

我们今天来讲讲Rust中的智能指针。

什么是指针？

在Rust，指针（普通指针），就是保存内存地址的值。这个值，指向堆heap的地址。

什么是智能指针？

在Rust,简单来说，相对普通指针，智能指针，除了保存内存地址外，还有额外的其他属性或元数据。

在Rust中，因为有所有权和借用的概念，所以引用和智能指针，又有一点不一样。

简单来说，智能指针，拥有数据所有权，而引用没有。

智能指针分以下几种：

1.Box,用于在堆里分配内存。

2.Rc,引用计数类型，用于多线程中的多个所有权。

3.Ref and RefMut, 用于强制让借用规则在运行时生效，一般通过RefCell访问。

我们先来看看Box，来看看简单例子：

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", b);
}

这段代码很简单，定义一个Box智能指针，把它绑定到变量b，b就是智能指针（在栈stack里），指向堆内存地址的数据（数据在堆heap里）。

结果打印：

b = 5

我们来看看一个复杂点的例子，我们想定义一个lisp语言中的cons list,这种类型，是个递归类型，

简单来说，它是一个封装数据的容器，如图所示：

我们来用Rust简单定义下这个数据结构，如下代码：

enum List {
    Cons(i32, List),
    Nil,
}
fn main() {
    let list = Cons(1, Cons(2, Cons(3, Nil)));
}

用cargo run ，运行下，结果报错：

error[E0072]: recursive type `List` has infinite size
 --> src\main.rs:5:1
  |
5 | enum List {
  | ^^^^^^^^^ recursive type has infinite size
6 |     Cons(i32, List),
  |               ---- recursive without indirection
  |
  = help: insert indirection (e.g., a `Box`, `Rc`, or `&`) at some point to make `List` represxyentable

编译器报告说，这是一个递归类型，不确定长度，没办法初始化。

怎么办？

用Box，代码修改如下：

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

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

fn main() {
    let list = Cons(1,
        Box::new(Cons(2,
            Box::new(Cons(3,
                Box::new(Nil))))));
}

现在一切正确。

现在的数据结构，对Rust来说是这样的，如下图所示：

Box类型因为实现了解引用特征Deref，所以它跟引用类型一样，同时，因为它实现了Drop特征，所以当它超出了作用域，它所占有的stack和heap空间会自动释放。

我们现在再来看看普通引用和智能指针的不同。

1.智能指针实现了Deref特征，所以它跟普通引用类似。

我们来看看例子：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = &x;//y借用x,即y绑定到x的引用,y现在是个引用类型

    assert_eq!(5, x);
    assert_eq!(5, y);//error,错误，不能比较数据类型和引用类型

}

运行上面的代码，编译器报错：

error[E0277]: can't compare `{integer}` with `&{integer}`
  --> src\main.rs:28:5
   |
28 |     assert_eq!(5, y);
   |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^ no implementation for `{integer} == &{integer}`
   |
   = help: the trait `std::cmp::PartialEq<&{integer}>` is not implemented for `{integer}`

怎么办？

用解引用操作符*。

我们来修改一下代码 ：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = &x;

    assert_eq!(5, x);
    assert_eq!(5, *y);//用解引用操作符*，来取y指针指向的值
}

运行代码，一切正常。

这个解引用操作符*，就是用来取引用（指针）指向的值。

我们现在用Box类型来重写一下上面的代码：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = Box::new(x);

    assert_eq!(5, x);
    assert_eq!(5, *y);
}

运行代码，一切正常。

说明 Box类型跟上面的普通引用（指针），是一样的效果。

它们唯一 的区别就是，一个是智能指针，一个是普通指针。

好理解。

现在我们再来看定义一个自己的智能指针，开始设计：

struct MyBox<T>(T);//tuple元组类型

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T) -> MyBox<T> {
        MyBox(x)
    }
}

然后，我们同样的方式来用这个自定义的智能指针：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = MyBox::new(x);

    assert_eq!(5, x);
    assert_eq!(5, *y);
}
struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T) -> MyBox<T> {
        MyBox(x)
    }
}

运行代码，报错了：

error[E0614]: type `MyBox<{integer}>` cannot be dereferenced
  --> src/main.rs:14:19
   |
14 |     assert_eq!(5, *y);
   |                   ^^

为什么？

因为，我们的MyBox没有实现特征Deref。

好，我们来实现Deref特征，代码更新如下：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = MyBox::new(x);

    assert_eq!(5, x);
    assert_eq!(5, *y);
}
struct MyBox<T>(T);////tuple类型

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T) -> MyBox<T> {
        MyBox(x)
    }
}
use std::ops::Deref;
////必须实现Deref trait，否则不能使用*操作符
impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &T {
        &self.0////tuple索引
    }
}

运行代码，一切正常。

我们来分析一下代码：

type Target = T;语法是指定一个Deref特征的关联类型。

而这段代码：

 fn deref(&self) -> &T {
        &self.0////tuple索引
    }

则实现解引用方法，这里直接返回元组tuple第一个索引。

当前我们也可以用官方标准写法：

use std::ops::Deref;

struct DerefExample<T> {
    value: T,
}

impl<T> Deref for DerefExample<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.value
    }
}

fn main() {
    let x = DerefExample { value: 'a' };
    assert_eq!('a', *x);
    println!("{}", *x);
    let y = DerefExample {
        value: String::from("Good!"),
    };
    println!("{}", *y);
}

现在我们再看看把这个自定义智能指针作为传递参数：

fn hello(name: &str) {
    println!("Hello, {}!", name);
}

我们先定义一个hello的方法，这个方法直接打印一条简单的问候信息。

我们看看怎么调用：

fn main() {
    let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
    hello(&m);
}

完整代码如下：

use std::ops::Deref;
fn main() {

    let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
    hello(&m);//这里直接用借用操作符&，不用再用解引用操作符*
}
struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T) -> MyBox<T> {
        MyBox(x)
    }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &T {
        &self.0
    }
}
fn hello(name: &str) {
    println!("Hello, {}!", name);
}

运行代码，打印结果信息：

Hello, Rust!

一切正常。

因为Rust实现了强制解引用机制（deref coercion），所以我们不用再用解引用操作符访问：

fn main() {
    let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
    hello(&(*m)[..]);//解引用写法
}

我们再来看看特征Drop Trait

简单来说，特征Drop是用来标记相关变量超出作用域后释放资源。

在Rust所有智能指针都已经由编译器自动加入实现这个方法。

当然，我们也可以定制一下这个方法，我们来看看简单例子：

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) {
        println!("Dropping CustomSmartPointer with data `{}`!", self.data);
    }
}

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer { data: String::from("my stuff") };
    let d = CustomSmartPointer { data: String::from("other stuff") };
    println!("CustomSmartPointers created.");
}//c,d在这里结束生命周期，这里Rust自动调用Drop实现方法

我们在main函数创建了两个实例c,d，在最后一个大括号时，结束这两个实例的“生命”，自动调用相关Drop实现方法，打印结果为：

CustomSmartPointers created.
Dropping CustomSmartPointer with data `other stuff`!
Dropping CustomSmartPointer with data `my stuff`!

在这里，Drop特征实现，有点类似于java的finalize方法，是一个对象或资源的临终遗言。

我们再来看看更复杂的智能指针，RC智能指针，也就是引用计数智能指针。

为什么要有引用计数智能指针呢？

因为有这样的情景，一个数据，可能有多个拥有者（当然这里的拥有者也就是线程）。这就是多所有权（multiple ownership）。

我们可以想象，这个多所有权，就像一台电视机，一个房间只有一台电视机，第一个人来了，打开电视机，第二个人，第三个人来了，就各加一个座位（这里就像引用加个计数器，每来一个人加1），有人离开了，就把座位拿开（计数器减1），直到最后一个人看完了电视，把电视关了。

如果，中间有人a离开，但还有其他人在看电视，这个a直接把电视机关了，结果肯定会引起喧嚣！！！！

我们回过头来看看之前提到过的cons list数据结构：

我现在用Box类型定义：

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));
}

运行代码，编译错误：

error[E0382]: use of moved value: `a`
  --> src/main.rs:13:30
   |
12 |     let b = Cons(3, Box::new(a));
   |                              - value moved here
13 |     let c = Cons(4, Box::new(a));
   |                              ^ value used here after move
   |
   = note: move occurs because `a` has type `List`, which does not implement
   the `Copy` trait

怎么办？

用RC类型，修改代码如下 ：

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));
}

我们来看看引用计数智能指针的计数器，发生了什么，修改代码：

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!("{}", c);
    let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
    println!("count after creating a = {}", Rc::strong_count(&a));
    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    println!("count after creating b = {}", Rc::strong_count(&a));
    {
        let c = Cons(4, Rc::clone(&a));
        println!("count after creating c = {}", Rc::strong_count(&a));
    }
    println!("count after c goes out of scope = {}", Rc::strong_count(&a))
}

运行代码，打印结果为：

count after creating a = 1
count after creating b = 2
count after creating c = 3
count after c goes out of scope = 2

我们看到RC类型的引用计数器，是从1开始累加的。

中间c的生命周期结束了，就减一。

现在我们再来看看ReCell类型的智能指针。

我们从上面的例子可在看到 ，因为Rust默认的变量绑定是不可变的。

所以当我们要有一个变量，在运行时可变的。这时，就要用到ReCell类型。

看下面简单代码：

use std::cell::RefCell;
fn main() {
    let c = RefCell::new(5);

    *c.borrow_mut() = 7;
    assert_eq!(*c.borrow(), 7);
}

我们可以让编译器通过，并且成功运行。

为什么？

我们再来看看另一个例子：

use std::cell::RefCell;
fn main() {
    // let c = RefCell::new(5);

    // *c.borrow_mut() = 7;
    // assert_eq!(*c.borrow(), 7);

    let x = RefCell::new(42);

    let y = x.borrow_mut();
    let z = x.borrow_mut();//每二次可变借用，已经违反了编译器的借用规则。但可以编译通过。

}

运行代码，编译通过。

我们看到两次可变借用已经违反了借用规则。

Rust的借用规则很简单：

同一时间，同一数据

1.允许一个或多个共享借用（不可变借用）

2.只允许一个可变借用。

上面的代码已经两个可变借用，但也可以通过。

ReCell主要 作用就是用于运行时来检查借用规则。这就是内部可变性的设计模式。

主要用途在哪里？

我们再来看看例子：

struct Point {
    x: i32,
    y: i32,
}

let mut a = Point { x: 5, y: 6 };

a.x = 10;

let b = Point { x: 5, y: 6 };

b.x = 10; // Error: cannot assign to immutable field `b.x`.错误

解决错误用Cell:

use std::cell::Cell;

struct Point {
    x: i32,
    y: Cell<i32>,
}

let point = Point { x: 5, y: Cell::new(6) };

point.y.set(7);

println!("y: {:?}", point.y);

以上，希望对你有用。

如果遇到什么问题，欢迎加入：rust新手群，在这里我可以提供一些简单的帮助，加微信：360369487，注明：博客园+rust

参考文章：

https://doc.rust-lang.org/stable/book/ch15-00-smart-pointers.html

https://*.com/questions/30831037/situations-where-cell-or-refcell-is-the-best-choice