Rust的智能指针

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什么指针？什么是智能指针？

指针，是保存内存地址的变量。Rust中最常见的指针是引用。引用没有值的所有权，它只能借用数据。 在栈上的值，当值离开作用域，这个值就会被清理掉，引用就会失效。

Rust是一个安全的语言，开发者一般不会使用裸指针，而是使用智能指针。 智能指针是一些数据结构，它们的表现像是指针，但是提供了附加的元信息和能力。智能指针有它指向的值的所有权。

接下来我们来看一些常见的智能指针。(我对Rust的智能指针也不是特别熟悉，所以本文只讲一部分智能指针，等我学会了更多，再来写新的文章介绍）

Box

这种智能指针是最简单的。 使用示例

fn main() {
    let a = Box::new(1);
    print!("{}", a); // 1
}

可以用它来实现递归类型，比如

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

这里举的例子是使用Box实现递归类型，其实任何指针都能实现递归类型的。但不用指针是无法实现递归类型的，原因是这样的递归类型的内存占用大小是无限的。

通过以下方式可以修改Box指向的结构体的字段，或者直接替换掉结构体的值。

#[derive(Debug)]
struct Point(i32, i32);

fn main() {
    let mut a = Box::new(Point(1, 2));
    a.as_mut().1 = 3;
    dbg!(&a);
    *a = Point(4, 5);
    dbg!(&a);
}

注意，Box没有实现Copy，也没实现Clone。把它赋值给其它的变量时，会发生移动。这看起来是合理的，这样可以保证它指向的值的所有者只有一个。当一个Box离开作用域时，它指向的值就会被释放。

但有时需要有多个指针指向同一个值，就得使用其它的智能指针了，比如Rc

Rc

它是有引用计数的智能指针。它可以任意clone。还可以获取引用计数。

let mut v = vec![];
let a = Rc::new(Point(1, 2));
v.push(a.clone());
dbg!(Rc::strong_count(&a));

当一个Rc指针离开作用域时，如果这个值没有引用了，就要把这个值清理调用。

这里有个问题：Rc不允许直接修改一个值。否则，就可能有多个可变引用，就可能违反借用规则。

为了解决这个问题，需要用使用RefCell。

RefCell

这种智能指针的关键的用途是获取它指向的值的可变引用。 “不能通过不可变引用修改数据”这个规则，使得一些本来安全的代码无法编译。 使用RefCell，可以绕开这个规则。但实际上，它在运行期间是遵守借用规则的。在运行时，如果同时存在多个可变引用，就会报错。所以，它仍然可以保证不让多个流程同时修改同一个值。 以下代码在运行时不会报错

let p = RefCell::new(Point(0, 0));
for _ in 0..10 {
    p.borrow_mut().0 += 1;
    println!("{:?}",&p);
}

以下代码在运行时会报错

let p = RefCell::new(Point(0, 0));
let a = p.borrow_mut();
let b = p.borrow_mut();

Rc结合RefCell

Rc和RefCell常常结合起来使用。

在实现数据结构时，常常会 遇到多个指针指向同一个值，而且需要这些指针都能修改这个值的情况。 这种需求，Rc和RefCell结合起来可以实现。

let mut p = Rc::new(RefCell::new(Point(0, 0)));
let mut p1 = p.clone();
p.borrow_mut().0 = 1;
p1.borrow_mut().1 = 2;
println!("{:?}", p); // RefCell { value: Point(1, 2) }

如何自定义智能指针？

开发者可以自己实现智能指针，只要实现Deref和Drop这两个trait。

其中，Deref::deref用来定义这个指针解引用时得到的是哪个值的引用，也就是定义了这个指针指向的是哪个值。 Drop::drop用来定义这个指针离开定义域时执行什么操作，这是用来清理它指向的值的。

如何表示空值？

Rust是安全的，智能指针本身无法表示空值。要表示可空的智能指针类型，给智能指针套上Option<>即可

总结

以上就是Rust里常见的几种智能指针了。

在非并发场景下，Option<Rc<RefCell<T>>>这种使用方式，支持多个引用指向同一个值，而且都支持对值进行修改，也支持空值。它的灵活程度接近裸指针了，但它远比裸指针安全。 这种方式，应该足够在非并发场景下，实现任何数据结构了。

当然，只学会原理是不够的，还得多练习，才能熟练地使用它们。

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