智能指针是 Rust 内存安全保证和性能的基本组成部分。它们封装一个值并提供附加功能，确保内存管理高效且安全。本文深入探讨了 Rust 中可用的不同类型的智能指针、它们的工作原理以及何时使用它们。所有示例均与最新稳定版本 Rust 1.80.0 兼容。
什么是智能指针？
智能指针是一种数据结构，它不仅像指针一样工作，还具有额外的元数据和功能。与传统指针不同，Rust 中的智能指针可确保内存安全并可自动管理资源释放。它们是 Rust 所有权模型不可或缺的一部分。
主要特点
- 所有权和借用：智能指针遵守 Rust 的所有权和借用规则。
- 自动资源管理：当智能指针超出范围时，它们处理释放。
- 附加功能：它们提供额外的功能，例如引用计数和内部可变性。
- 类型安全：智能指针通常利用 Rust 的类型系统来防止常见的编程错误。
Box
Box是 Rust 中最简单的智能指针。它在堆上分配内存，并将所有权移至 Box。
何时使用 Box
- 当你需要在堆上分配大量数据时。
- 当您需要对堆分配的值拥有单独所有权时。
- 当您需要定义递归数据结构时。
- 当您想转移数据所有权而不复制数据时。
fn main () {
let b = Box :: new ( 5 );
println! ( "b = {}" , b);
// 解除引用强制
let x = 5 ;
let y = Box :: new (x);
assert_eq! ( 5 , x);
assert_eq! ( 5 , *y);
// 将 Box 用于递归类型
enum List {
Cons ( i32 , Box <List>),
Nil,
}
let list = List:: Cons ( 1 , Box :: new (List:: Cons ( 2 , Box :: new (List::Nil))));
}
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Rc 和 Arc
Rc和Arc都是引用计数的智能指针。Rc适用于单线程场景，而Arc（原子引用计数）适用于多线程场景。
何时使用 Rc
- 当程序的多个部分需要读取相同的数据时。
- 当单线程引用计数就足够时。
- 在图形等数据结构中，多条边可能指向同一个节点。
use std::rc::Rc;
fn main () {
let a = Rc:: new ( 5 );
let b = Rc:: clone (&a);
let c = Rc:: clone (&a);
println! ( "a = {}, b = {}, c = {}" , a, b, c);
println! ( "引用计数：{}" , Rc:: strong_count (&a));
}
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何时使用 Arc
- 当您需要在线程之间共享数据时。
- 在需要跨线程边界共享所有权的并发数据结构中。
use std::sync::Arc;
use std::thread;
fn main() {
let a = Arc::new(5);
let a1 = Arc::clone(&a);
let a2 = Arc::clone(&a);
let handle1 = thread::spawn(move || {
println!("Thread 1: a1 = {}", a1);
});
let handle2 = thread::spawn(move || {
println!("Thread 2: a2 = {}", a2);
});
println!("Main thread: a = {}", a);
handle1.join().unwrap();
handle2.join().unwrap();
}
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RefCell 和内部可变性
RefCell允许在运行时进行可变借用，即使 RefCell 本身是不可变的。这种模式称为内部可变性。
何时使用 RefCell
- 即使您的结构是不可变的，您也需要改变数据。
- 当您想要在运行时而不是编译时强制执行借用规则时。
- 在需要在只读上下文中修改数据的情况下。
use std::cell::RefCell;
fn main() {
let x = RefCell::new(5);
{
let mut y = x.borrow_mut();
*y += 10;
}
println!("x = {:?}", x);
// Multiple borrows
let z = x.borrow();
let w = x.borrow();
println!("z = {}, w = {}", z, w);
}
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Weak
Weak 是与 Rc 或 Arc 一起使用的非所有引用。 它可以防止可能导致内存泄漏的循环引用。
use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;
#[derive(Debug)]
struct Node {
value: i32,
parent: RefCell<Weak<Node>>,
children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}
fn main() {
let leaf = Rc::new(Node {
value: 3,
parent: RefCell::new(Weak::new()),
children: RefCell::new(vec![]),
});
let branch = Rc::new(Node {
value: 5,
parent: RefCell::new(Weak::new()),
children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
});
*leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
println!("branch strong count = {}, weak count = {}",
Rc::strong_count(&branch),
Rc::weak_count(&branch));
}
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自定义智能指针
Rust 允许你通过实现 Deref 和 Drop 特性来创建自己的智能指针。 自定义智能指针可以根据特定需求提供额外的功能。
use std::ops::Deref;
use std::ops::Drop;
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
}
}
impl<T> Drop for MyBox<T> {
fn drop(&mut self) {
println!("Dropping MyBox!");
}
}
fn main() {
let x = 5;
let y = MyBox::new(x);
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}
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实例和用例
1、Example: Building a Linked List
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;
#[derive(Debug)]
struct Node {
value: i32,
next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}
impl Node {
fn new(value: i32) -> Rc<RefCell<Self>> {
Rc::new(RefCell::new(Node {
value,
next: None,
}))
}
}
fn main() {
let node1 = Node::new(1);
let node2 = Node::new(2);
let node3 = Node::new(3);
node1.borrow_mut().next = Some(Rc::clone(&node2));
node2.borrow_mut().next = Some(Rc::clone(&node3));
println!("Linked List: {:?}", node1);
}
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2、Example: Thread-Safe Shared State
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let mut handles = vec![];
for _ in 0..10 {
let counter = Arc::clone(&counter);
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = counter.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
}
for handle in handles {
handle.join().unwrap();
}
println!("Final count: {}", *counter.lock().unwrap());
}
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结论
智能指针是 Rust 的一项强大功能，它提供了灵活而安全的内存管理。 了解不同类型的智能指针及其用例对于编写高效、安全的 Rust 代码至关重要。 无论您是使用 Box 管理堆内存、使用 Rc 或 Arc 共享数据，还是使用 RefCell 实现内部可变性，掌握智能指针都将大大提高您的 Rust 编程技能。
请记住，虽然智能指针提供了强大的功能，但它们也会带来一些开销。 在选择使用哪种智能指针时，请务必考虑程序的具体要求，当原始引用足以满足您的需求时，请毫不犹豫地使用原始引用。