30天拿下Rust之智能指针

概述

在Rust中，智能指针是管理内存所有权和生命周期的核心工具之一。不同于C++等语言中的原始指针，Rust的智能指针在提供对堆内存资源的间接引用的同时，还负责自动管理和释放内存，确保程序的安全性和高效性。

堆上的唯一所有者Box

Box是Rust中最基础的智能指针，用于在堆上分配内存，而不是在栈上。这对于大型数据结构，或大小在编译时未知的数据非常有用。同时，它遵循Rust的所有权规则，当Box离开作用域时，其所指向的数据也会被自动释放。

在下面的示例代码中，我们首先创建了一个String类型的变量text，并初始化为字符串"Hello World"。接着，我们创建了一个Box类型的变量box_text。通过调用Box::new(text)，我们将text的所有权转移给了box_text。这意味着text变量现在不再拥有其之前的数据，尝试使用它会导致编译错误。最后，我们使用println!宏来打印box_text指向的字符串。因为box_text是一个指向堆上数据的指针，所以我们可以直接解引用它并打印其内容（在这种情况下，Rust会自动为我们解引用）。

fn main() {

let text: String = "Hello World".to_string();

// 将字符串移动到堆上

let box_text: Box = Box::new(text);

// 此时原text已失效，因为所有权已经转移给box_text

println!("{}", box_text);

}

引用计数智能指针Rc

Rc提供了非独占、可共享的引用，它的内部维护了一个引用计数。当引用数量变为0时，会自动释放堆内存。

use std::rc::Rc;

fn main() {

let shared_data = Rc::new(66);

// 创建指向同一数据的多个Rc实例

let ref1 = Rc::clone(&shared_data);

let ref2 = Rc::clone(&shared_data);

println!("ref1: {}", ref1);

println!("ref2: {}", ref2);

// 当最后一个Rc实例超出作用域时，数据会被清理

}

线程安全的引用计数智能指针Arc

Arc类似于Rc，但在多线程环境下保证了线程安全。在并发场景中，多个线程可以安全地共享Arc指向的数据。

在下面的示例代码中，我们首先创建了一个String实例，其中包含字符串"World"，并将其包装在Arc中。这样，字符串就被移动到了堆上，并且其所有权被Arc所持有。然后，通过调用Arc::clone方法，我们创建了两个新的Arc引用arc1和arc2，它们都指向与text相同的堆上数据。每个Arc都有一个内部的引用计数，当克隆时，这个计数会增加。最后，我们创建了两个新的线程，并通过thread::spawn方法分别将arc1和arc2移动到这两个线程中。move关键字确保arc1和arc2的所有权被转移到各自的闭包中，这样它们就可以在新线程中被安全地使用了，每个线程都会打印其接收到的Arc引用的内容。

use std::sync::Arc;

use std::thread;

fn main() {

let text = Arc::new(String::from("World"));

let arc1 = Arc::clone(&text);

let arc2 = Arc::clone(&text);

// 在两个线程中共享数据

let handle1 = thread::spawn(move || println!("{:?}", arc1));

let handle2 = thread::spawn(move || println!("{:?}", arc2));

// 等待线程结束

handle1.join().unwrap();

handle2.join().unwrap();

}

运行时借用检查RefCell

RefCell提供了在借用检查器运行后进行可变性检查的能力，即在运行时而非编译时检查借用规则。在Rust中，RefCell是一个用于在编译时无法确定借用规则的情况下，在运行时动态地检查借用有效性的智能指针。它允许我们在运行时拥有对数据的可变引用，即使在通常的借用规则下这是不可能的。这通常用于在结构体或枚举中封装可变数据，当编译器无法确定这些数据的借用情况时。

RefCell提供了两个方法：borrow和borrow_mut，分别用于获取数据的共享引用和可变引用。如果尝试获取一个可变引用而当前已经有共享引用存在，或者尝试获取第二个可变引用，RefCell会在运行时抛出一个panic。

use std::cell::RefCell;

fn main() {

let number = RefCell::new(66);

// 获取不可变引用

let ref_number = number.borrow();

// 输出: 66

println!("{}", ref_number);

let text = RefCell::new("World".to_string());

// 获取可变引用，但注意：同一时间只能有一个可变引用

let mut ref_text = text.borrow_mut();

*ref_text = "Github".to_string();

// 输出: Github

println!("{}", ref_text);

}

总结

Rust的智能指针提供了灵活且安全的内存管理方式。Box用于堆上分配，Rc和RefCell提供了引用计数和运行时借用检查，而Arc则确保了并发环境下的数据安全性。通过合理使用这些智能指针，我们可以编写出既高效又安全的Rust代码。同时，Rust的借用规则和所有权系统也确保了内存的正确释放，避免了诸如空指针解引用和数据竞态等常见的内存安全问题。