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智能指针

智能指针是一种数据结构，它们的行为类似于指针，但具有额外的元数据和功能。在 Rust 中，智能指针通常实现了 Deref 和 Drop 特质，允许它们像引用一样工作并在离开作用域时自动清理资源。在本章中，我们将探索 Rust 中的各种智能指针类型及其用途。

引用回顾

在深入智能指针之前，让我们先回顾一下 Rust 中的普通引用：

fn main() {let x = 5;let y = &x;  // y 是 x 的引用assert_eq!(5, x);assert_eq!(5, *y);  // 使用解引用运算符 * 访问引用的值
}

引用是 Rust 中最简单的指针类型，它们没有任何特殊功能，只是借用值而不获取所有权。

Box

Box<T> 是 Rust 中最简单的智能指针类型，它允许你将值存储在堆上而不是栈上：

fn main() {let b = Box::new(5);  // 在堆上分配值 5println!("b = {}", b);// 可以像使用引用一样使用 Boxassert_eq!(5, *b);
} // b 离开作用域时，它指向的堆内存会被自动释放

Box 的主要用途

1. 存储已知大小但较大的数据

当你有一个较大的数据结构，但不想在栈上分配内存时，可以使用 Box：

struct LargeStruct {data: [u8; 1000000],  // 1MB 的数据
}fn main() {// 在栈上分配可能导致栈溢出// let large_struct = LargeStruct { data: [0; 1000000] };// 在堆上分配更安全let large_struct = Box::new(LargeStruct { data: [0; 1000000] });println!("结构体已创建");
}

2. 创建递归类型

递归类型的大小在编译时无法确定，因此需要使用 Box 来创建：

enum List {Cons(i32, Box<List>),Nil,
}fn main() {let list = List::Cons(1, Box::new(List::Cons(2, Box::new(List::Cons(3, Box::new(List::Nil))))));// 使用模式匹配访问列表元素let mut current = &list;while let List::Cons(value, next) = current {println!("值: {}", value);current = next;}
}

3. 特质对象

Box 可以用来创建特质对象，允许在运行时使用动态分发：

trait Draw {fn draw(&self);
}struct Circle {radius: f64,
}impl Draw for Circle {fn draw(&self) {println!("画一个半径为 {} 的圆", self.radius);}
}struct Square {side: f64,
}impl Draw for Square {fn draw(&self) {println!("画一个边长为 {} 的正方形", self.side);}
}fn main() {let shapes: Vec<Box<dyn Draw>> = vec![Box::new(Circle { radius: 1.0 }),Box::new(Square { side: 2.0 }),];for shape in shapes {shape.draw();}
}

Deref 特质

Deref 特质允许自定义解引用运算符 * 的行为。智能指针通过实现 Deref 特质，使它们的行为类似于引用：

use std::ops::Deref;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) -> &Self::Target {&self.0}
}fn main() {let x = 5;let y = MyBox::new(x);assert_eq!(5, x);assert_eq!(5, *y);  // 相当于 *(y.deref())
}

解引用强制转换

Rust 提供了解引用强制转换（deref coercion）功能，当将一个实现了 Deref 特质的类型的值作为参数传递给函数或方法时，如果参数类型不匹配，Rust 会自动应用 deref 方法：

fn hello(name: &str) {println!("你好，{}！", name);
}fn main() {let m = MyBox::new(String::from("Rust"));hello(&m);  // 解引用强制转换：&MyBox<String> -> &String -> &str
}

Drop 特质

Drop 特质允许你自定义当值离开作用域时发生的行为。这对于释放资源（如文件句柄或网络连接）非常有用：

struct CustomSmartPointer {data: String,
}impl Drop for CustomSmartPointer {fn drop(&mut self) {println!("释放 CustomSmartPointer，数据: `{}`！", self.data);}
}fn main() {let c = CustomSmartPointer { data: String::from("我的数据") };let d = CustomSmartPointer { data: String::from("其他数据") };println!("创建了智能指针");// c 和 d 在这里离开作用域，Rust 会自动调用它们的 drop 方法
}

提前丢弃值

有时你可能需要提前丢弃一个值。Rust 提供了 std::mem::drop 函数来实现这一点：

fn main() {let c = CustomSmartPointer { data: String::from("提前丢弃") };println!("创建了智能指针");drop(c);  // 手动调用 drop 函数println!("在 main 函数结束前丢弃了智能指针");
}

Rc

Rc<T>（引用计数，Reference Counting）允许多个所有者共享同一数据的所有权。当最后一个所有者离开作用域时，数据才会被清理：

use std::rc::Rc;fn main() {let a = Rc::new(5);  // 创建一个引用计数的值println!("创建 a，引用计数 = {}", Rc::strong_count(&a));  // 1let b = Rc::clone(&a);  // 增加引用计数，而不是复制数据println!("创建 b，引用计数 = {}", Rc::strong_count(&a));  // 2{let c = Rc::clone(&a);  // 再次增加引用计数println!("创建 c，引用计数 = {}", Rc::strong_count(&a));  // 3}  // c 离开作用域，引用计数减少println!("c 离开作用域后，引用计数 = {}", Rc::strong_count(&a));  // 2// 可以通过任何一个引用访问数据println!("a = {}, b = {}", a, b);
}  // a 和 b 离开作用域，引用计数变为 0，数据被清理

Rc 的限制

Rc<T> 只能用于单线程场景，并且只提供不可变访问：

use std::rc::Rc;fn main() {let a = Rc::new(vec![1, 2, 3]);let b = Rc::clone(&a);// 错误：不能获取可变引用// a.push(4);println!("a = {:?}, b = {:?}", a, b);
}

RefCell 和内部可变性

内部可变性是 Rust 的一种设计模式，它允许你在拥有不可变引用的情况下修改数据。RefCell<T> 提供了内部可变性：

use std::cell::RefCell;fn main() {let data = RefCell::new(5);// 获取不可变引用let a = data.borrow();println!("a = {}", a);// 必须先释放不可变引用，才能获取可变引用drop(a);// 获取可变引用并修改值let mut b = data.borrow_mut();*b += 1;println!("b = {}", b);
}

借用规则在运行时检查

与普通引用不同，RefCell<T> 在运行时而不是编译时检查借用规则：

use std::cell::RefCell;fn main() {let data = RefCell::new(5);let a = data.borrow();let b = data.borrow();  // 可以同时有多个不可变借用println!("a = {}, b = {}", a, b);// 下面的代码会在运行时 panic，因为已经有不可变借用// let mut c = data.borrow_mut();
}

结合 Rc 和 RefCell

Rc<T> 和 RefCell<T> 经常一起使用，以提供多所有者和内部可变性：

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;fn main() {let data = Rc::new(RefCell::new(vec![1, 2, 3]));let a = Rc::clone(&data);let b = Rc::clone(&data);// 通过 a 修改数据a.borrow_mut().push(4);// 通过 b 也能看到修改后的数据println!("b = {:?}", b.borrow());
}

Weak

Weak<T> 提供了对 Rc<T> 数据的非所有权引用，不会增加强引用计数，因此不会阻止数据的清理：

use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;#[derive(Debug)]
struct Node {value: i32,parent: Option<Weak<Node>>,children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}fn main() {let leaf = Rc::new(Node {value: 3,parent: None,children: RefCell::new(vec![]),});println!("leaf 强引用计数 = {}", Rc::strong_count(&leaf));  // 1println!("leaf 弱引用计数 = {}", Rc::weak_count(&leaf));    // 0{let branch = Rc::new(Node {value: 5,parent: None,children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),});// 设置 leaf 的父节点为 branch，使用 Weak 引用避免循环引用leaf.parent = Some(Rc::downgrade(&branch));println!("branch 强引用计数 = {}", Rc::strong_count(&branch));  // 1println!("branch 弱引用计数 = {}", Rc::weak_count(&branch));    // 1println!("leaf 强引用计数 = {}", Rc::strong_count(&leaf));      // 2println!("leaf 弱引用计数 = {}", Rc::weak_count(&leaf));        // 0// 访问 leaf 的父节点if let Some(parent) = &leaf.parent {// 尝试将 Weak 引用升级为 Rcif let Some(parent) = parent.upgrade() {println!("leaf 的父节点是 {}", parent.value);}}}  // branch 离开作用域，强引用计数变为 0，数据被清理// branch 已被清理，所以 leaf.parent 现在是悬空的 Weak 引用println!("leaf 强引用计数 = {}", Rc::strong_count(&leaf));  // 1// 尝试访问已清理的父节点if let Some(parent) = &leaf.parent {if let Some(_) = parent.upgrade() {println!("leaf 的父节点仍然存在");} else {println!("leaf 的父节点已被清理");}}
}

Arc

Arc<T>（原子引用计数，Atomic Reference Counting）是 Rc<T> 的线程安全版本，可以在多线程环境中安全地共享数据：

use std::sync::Arc;
use std::thread;fn main() {let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);let mut handles = vec![];for i in 0..3 {let data_clone = Arc::clone(&data);let handle = thread::spawn(move || {println!("线程 {}: 数据 = {:?}", i, data_clone);});handles.push(handle);}for handle in handles {handle.join().unwrap();}
}

Mutex

Mutex<T>（互斥锁）提供了线程安全的内部可变性，确保在任何时刻只有一个线程可以访问数据：

use std::sync::Mutex;
use std::thread;fn main() {let counter = Mutex::new(0);let mut handles = vec![];for _ in 0..10 {let handle = thread::spawn(move || {let mut num = counter.lock().unwrap();*num += 1;});handles.push(handle);}for handle in handles {handle.join().unwrap();}println!("结果: {}", *counter.lock().unwrap());
}

上面的代码会编译失败，因为 counter 的所有权在第一个线程中被移动。要解决这个问题，我们需要结合 Arc 和 Mutex：

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_clone = Arc::clone(&counter);let handle = thread::spawn(move || {let mut num = counter_clone.lock().unwrap();*num += 1;});handles.push(handle);}for handle in handles {handle.join().unwrap();}println!("结果: {}", *counter.lock().unwrap());
}

RwLock

RwLock<T>（读写锁）允许多个读取器或一个写入器访问数据：

use std::sync::{Arc, RwLock};
use std::thread;fn main() {let data = Arc::new(RwLock::new(vec![1, 2, 3]));let mut handles = vec![];// 创建多个读取线程for i in 0..3 {let data_clone = Arc::clone(&data);let handle = thread::spawn(move || {let data = data_clone.read().unwrap();println!("读取线程 {}: 数据 = {:?}", i, *data);});handles.push(handle);}// 创建一个写入线程let data_clone = Arc::clone(&data);let handle = thread::spawn(move || {let mut data = data_clone.write().unwrap();data.push(4);println!("写入线程: 数据 = {:?}", *data);});handles.push(handle);for handle in handles {handle.join().unwrap();}println!("最终数据: {:?}", *data.read().unwrap());
}

智能指针的选择

以下是选择合适智能指针的指南：

智能指针	所有权	可变性	线程安全	主要用途
Box<T>	单一所有者	可变或不可变	取决于 T	堆分配、递归类型、特质对象
Rc<T>	多所有者	不可变	否	单线程共享所有权
RefCell<T>	单一所有者	内部可变性	否	单线程内部可变性
Arc<T>	多所有者	不可变	是	多线程共享所有权
Mutex<T>	单一所有者	内部可变性	是	多线程互斥访问
RwLock<T>	单一所有者	内部可变性	是	多线程读写访问

自定义智能指针

你可以通过实现 Deref 和 Drop 特质来创建自己的智能指针：

use std::ops::{Deref, DerefMut};
use std::fmt;struct SmartPointer<T> {value: T,name: String,
}impl<T> SmartPointer<T> {fn new(value: T, name: &str) -> SmartPointer<T> {println!("创建智能指针 {}", name);SmartPointer {value,name: name.to_string(),}}
}impl<T> Deref for SmartPointer<T> {type Target = T;fn deref(&self) -> &Self::Target {&self.value}
}impl<T> DerefMut for SmartPointer<T> {fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target {&mut self.value}
}impl<T> Drop for SmartPointer<T> {fn drop(&mut self) {println!("释放智能指针 {}", self.name);}
}impl<T: fmt::Display> fmt::Display for SmartPointer<T> {fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {write!(f, "SmartPointer({}: {})", self.name, self.value)}
}fn main() {let mut a = SmartPointer::new(5, "a");let b = SmartPointer::new(10, "b");println!("a = {}, b = {}", a, b);println!("*a = {}, *b = {}", *a, *b);*a += 1;  // 使用 DerefMutprintln!("修改后: a = {}", a);
}

最佳实践

1. 选择合适的智能指针

根据你的需求选择合适的智能指针：

• 需要在堆上分配数据？使用 Box<T>
• 需要共享所有权？使用 Rc<T> 或 Arc<T>
• 需要内部可变性？使用 RefCell<T> 或 Mutex<T>/RwLock<T>

2. 避免循环引用

使用 Rc<T> 或 Arc<T> 时，要小心避免循环引用，这可能导致内存泄漏：

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;#[derive(Debug)]
struct Node {value: i32,// 使用 Weak<T> 而不是 Rc<T> 避免循环引用// children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,// parent: Option<Rc<Node>>,
}fn main() {// 这会导致循环引用和内存泄漏let a = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 5 }));let b = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 10 }));// a 引用 ba.borrow_mut().children.push(Rc::clone(&b));// b 引用 ab.borrow_mut().parent = Some(Rc::clone(&a));
}

3. 使用 clone 而不是引用

使用 Rc::clone 或 Arc::clone 而不是引用，以明确表示你的意图：

use std::rc::Rc;fn process(data: Rc<Vec<i32>>) {println!("处理数据: {:?}", *data);
}fn main() {let data = Rc::new(vec![1, 2, 3]);// 好的做法：使用 clone 明确表示共享所有权process(Rc::clone(&data));// 仍然可以使用原始数据println!("原始数据: {:?}", *data);
}

4. 尽量减少锁的作用域

使用 Mutex 或 RwLock 时，尽量减少锁的作用域，以避免阻塞其他线程：

use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;fn main() {let data = Arc::new(Mutex::new(vec![1, 2, 3]));let data_clone = Arc::clone(&data);let handle = thread::spawn(move || {// 不好的做法：锁的作用域太大let mut data = data_clone.lock().unwrap();// 执行耗时操作...thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(1));data.push(4);});// 好的做法：减小锁的作用域{let mut data = data.lock().unwrap();data.push(5);}  // 锁在这里被释放// 执行其他操作...handle.join().unwrap();println!("最终数据: {:?}", *data.lock().unwrap());
}

5. 使用 parking_lot 库

考虑使用 parking_lot 库，它提供了更高性能的互斥原语：

// Cargo.toml
// [dependencies]
// parking_lot = "0.12.0"use parking_lot::{Mutex, RwLock};
use std::sync::Arc;
use std::thread;fn main() {let data = Arc::new(Mutex::new(0));let mut handles = vec![];for _ in 0..10 {let data_clone = Arc::clone(&data);let handle = thread::spawn(move || {// 不需要 unwrap，锁定失败会 paniclet mut num = data_clone.lock();*num += 1;});handles.push(handle);}for handle in handles {handle.join().unwrap();}println!("结果: {}", *data.lock());
}

练习题

1. 实现一个简单的二叉树数据结构，使用 Box<T> 存储节点。实现插入、搜索和遍历操作。

2. 创建一个简单的对象池，使用 Rc<T> 和 RefCell<T> 管理可重用对象。实现获取和释放对象的方法。

3. 实现一个线程安全的计数器，使用 Arc<T> 和 Mutex<T>。创建多个线程增加计数器的值，并验证最终结果。

4. 创建一个简单的观察者模式实现，其中主题使用 Weak<T> 引用存储观察者，以避免循环引用。

5. 实现一个自定义智能指针，它可以记录解引用操作的次数。实现 Deref、DerefMut 和 Drop 特质，并在程序结束时打印统计信息。

总结

在本章中，我们探讨了 Rust 中的智能指针：

• Box<T> 用于在堆上分配数据
• Rc<T> 用于单线程环境中的共享所有权
• RefCell<T> 用于单线程环境中的内部可变性
• Arc<T> 用于多线程环境中的共享所有权
• Mutex<T> 和 RwLock<T> 用于多线程环境中的内部可变性
• Weak<T> 用于避免循环引用

我们还学