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[易学易懂系列|rustlang语言|零基础|快速入门|(21)|智能指针]
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
2.Rc
3.Ref
RefMut
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
--> srcmain.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`
--> srcmain.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);
https://doc.rust-lang.org/stable/book/ch15-00-smart-pointers.html
https://stackoverflow.com/questions/30831037/situations-where-cell-or-refcell-is-the-best-choice
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