Rust中的智能指針是什么

智能指針（smart pointers）是一類數據結構，是擁有數據所有權和額外功能的指針。是指針的進一步發展

指針（pointer）是一個包含內存地址的變量的通用概念。這個地址引用，或 ” 指向”（points at）一些其 他數據 。引用以 & 符號為標志并借用了他們所 指向的值。除了引用數據沒有任何其他特殊功能。它們也沒有任何額外開銷，所以在Rust中應用得最多。

智能指針是Rust中一種特殊的數據結構。它與普通指針的本質區別在于普通指針是對值的借用，而智能指針通常擁有對數據的所有權。并且可以實現很多額外的功能。

Rust智能指針有什么用，解決了什么問題

它提供了許多強大的抽象來幫助程序員管理內存和并發。其中一些抽象包括智能指針和內部可變性類型，它們可以幫助你更安全、更高效地管理內存,例如Box<T> 用于在堆上分配值。Rc<T> 是一種引用計數類型，可以實現數據的多重所有權。RefCell<T> 提供內部可變性，可用于實現對同一數據的多個可變引用

它們在標準庫中定義，可以用來更靈活地管理內存，智能指針的一個特點就是實現了Drop和Deref這兩個trait。其中Drop trait中提供了drop方法，在析構時會去調用。Deref trait提供了自動解引用的能力，讓我們在使用智能指針的時候不需要再手動解引用了

Rust有哪些常用智能指針

• Box<T>是最簡單的智能指針，它允許你在堆上分配值并在離開作用域時自動釋放內存。
• Rc<T>和Arc<T>是引用計數類型，它們允許多個指針指向同一個值。當最后一個指針離開作用域時，值將被釋放。Rc<T>不是線程安全的，而Arc<T>是線程安全的。

內部可變性類型允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Rust中有幾種內部可變性類型，包括Cell<T>，RefCell<T>和UnsafeCell<T>。

• Cell<T>是一個內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Cell<T>只能用于Copy類型，因為它通過復制值來實現內部可變性。
• RefCell<T>也是一個內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>不同，RefCell<T>可以用于非Copy類型。它通過借用檢查來確保運行時的安全性。
• UnsafeCell<T>是一個底層的內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何運行時檢查來確保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能會導致未定義行為。

此外，Rust還提供了一種弱引用類型Weak<T>，它可以與Rc<T>或Arc<T>一起使用來創建循環引用。Weak<T>不會增加引用計數，因此它不會阻止值被釋放。

Box<T>

Box<T>是最簡單的智能指針，它允許你在堆上分配值并在離開作用域時自動釋放內存。

Box<T>通常用于以下情況：

• 當你有一個類型，但不確定它的大小時，可以使用Box<T>來在堆上分配內存。例如，遞歸類型通常需要使用Box<T>來分配內存。
• 當你有一個大型數據結構并希望在棧上分配內存時，可以使用Box<T>來在堆上分配內存。這樣可以避免棧溢出的問題。
• 當你希望擁有一個值并只關心它的類型而不是所占用的內存時，可以使用Box<T>。例如，當你需要將一個閉包傳遞給函數時，可以使用Box<T>來存儲閉包。

總之，當你需要在堆上分配內存并管理其生命周期時，可以考慮使用Box<T>。

下面是一個簡單的例子：

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", b);
}
復制代碼

這里定義了變量 b，其值是一個指向被分配在堆上的值 5 的 Box。這個程序會打印出 b = 5；在這個例子 中，我們可以像數據是儲存在棧上的那樣訪問 box 中的數據。正如任何擁有數據所有權的值那樣，當像 b 這樣的 box 在 main 的末尾離開作用域時，它將被釋放。這個釋放過程作用于 box 本身（位于棧上） 和它所指向的數據（位于堆上）。

但是Box<T>無法同時在多個地方對同一個值進行引用

enum List { 
Cons(i32, Box), 
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)); 
}
復制代碼

編譯會得出如下錯誤: error[E0382]: use of moved value: a,因為b和c無法同時擁有a的所有權，這個時候我們要用Rc<T>

Rc<T> Reference Counted 引用計數

Rc<T>是一個引用計數類型，它允許多個指針指向同一個值。當最后一個指針離開作用域時，值將被釋放。Rc<T>不是線程安全的，因此不能在多線程環境中使用。

Rc<T>通常用于以下情況：

• 當你希望在多個地方共享數據時，可以使用Rc<T>。解決了使用Box<T>共享數據時出現編譯錯誤
• 當你希望創建一個循環引用時，可以使用Rc<T>和Weak<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Rc<T>來共享數據：

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let data = Rc::new(vec![1, 2, 3]);
    let data1 = data.clone();
    let data2 = data.clone();
    println!("data: {:?}", data);
    println!("data1: {:?}", data1);
    println!("data2: {:?}", data2);
}
復制代碼

這個例子中，我們使用Rc::new來創建一個新的Rc<T>實例。然后，我們使用clone方法來創建兩個新的指針，它們都指向同一個值。由于Rc<T>實現了引用計數，所以當最后一個指針離開作用域時，值將被釋放。

但是Rc<T>在多線程中容易引發線程安全問題，為了解決這個問題，又有了Arc<T>

Arc<T> Atomically Reference Counted 原子引用計數

Arc<T>是一個線程安全的引用計數類型，它允許多個指針在多個線程之間共享同一個值。當最后一個指針離開作用域時，值將被釋放。

Arc<T>通常用于以下情況：

• 當你希望在多個線程之間共享數據時，可以使用Arc<T>，是Rc<T>的多線程版本。
• 當你希望在線程之間傳遞數據時，可以使用Arc<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Arc<T>來在線程之間共享數據：

use std::sync::Arc;
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);
    let data1 = data.clone();
    let data2 = data.clone();

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        println!("data1: {:?}", data1);
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        println!("data2: {:?}", data2);
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}
復制代碼

這個例子中，我們使用Arc::new來創建一個新的Arc<T>實例。然后，我們使用clone方法來創建兩個新的指針，它們都指向同一個值。接著，我們在線程中使用這些指針來訪問共享數據。由于Arc<T>實現了線程安全的引用計數，所以當最后一個指針離開作用域時，值將被釋放。

Weak<T> 弱引用類型

Weak<T>是一個弱引用類型，它可以與Rc<T>或Arc<T>一起使用來創建循環引用。Weak<T>不會增加引用計數，因此它不會阻止值被釋放。

當你希望創建一個循環引用時，可以使用Rc<T>或Arc<T>和Weak<T>來實現。

Weak<T>通常用于以下情況：

• 當你希望觀察一個值而不擁有它時，可以使用Weak<T>來實現。由于Weak<T>不會增加引用計數，所以它不會影響值的生命周期。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Rc<T>和Weak<T>來創建一個循環引用：

use std::rc::{Rc, Weak};

struct Node {
    value: i32,
    next: Option<Rc<Node>>,
    prev: Option<Weak<Node>>,
}

fn main() {
    let first = Rc::new(Node { value: 1, next: None, prev: None });
    let second = Rc::new(Node { value: 2, next: None, prev: Some(Rc::downgrade(&first)) });
    first.next = Some(second.clone());
}
復制代碼

這個例子中，我們定義了一個Node結構體，它包含一個值、一個指向下一個節點的指針和一個指向前一個節點的弱引用。然后，我們創建了兩個節點first和second，并使用Rc::downgrade方法來創建一個弱引用。最后，我們將兩個節點連接起來，形成一個循環引用。

需要注意的是，由于Weak<T>不會增加引用計數，所以它不會阻止值被釋放。當你需要訪問弱引用指向的值時，可以使用upgrade方法來獲取一個臨時的強引用。如果值已經被釋放，則upgrade方法會返回None。

UnsafeCell<T>

UnsafeCell<T>是一個底層的內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何運行時檢查來確保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能會導致未定義行為。

由于UnsafeCell<T>是一個底層類型，它通常不直接用于應用程序代碼。相反，它被用作其他內部可變性類型（如Cell<T>和RefCell<T>）的基礎。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用UnsafeCell<T>來修改內部值：

use std::cell::UnsafeCell;

fn main() {
    let x = UnsafeCell::new(1);
    let y = &x;
    let z = &x;
    unsafe {
        *x.get() = 2;
        *y.get() = 3;
        *z.get() = 4;
    }
    println!("x: {}", unsafe { *x.get() });
}
復制代碼

這個例子中，我們使用UnsafeCell::new來創建一個新的UnsafeCell<T>實例。然后，我們創建了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，在一個unsafe塊中，我們使用get方法來獲取一個裸指針，并使用它來修改內部值。由于UnsafeCell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由于UnsafeCell<T>不提供任何運行時檢查來確保安全性，所以使用它可能會導致未定義行為。因此，在大多數情況下，你應該使用其他內部可變性類型（如Cell<T>和RefCell<T>），而不是直接使用UnsafeCell<T>。

Cell<T>

Cell<T>是一個內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Cell<T>只能用于Copy類型，因為它通過復制值來實現內部可變性。

Cell<T>通常用于以下情況：

• 當你需要在不可變引用的情況下修改內部值時，可以使用Cell<T>來實現內部可變性。
• 當你需要在結構體中包含一個可變字段時，可以使用Cell<T>來實現。 下面是一個簡單的例子，演示如何使用Cell<T>來修改內部值：

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let x = Cell::new(1);
    let y = &x;
    let z = &x;
    x.set(2);
    y.set(3);
    z.set(4);
    println!("x: {}", x.get());
}
復制代碼

這個例子中，我們使用Cell::new來創建一個新的Cell<T>實例。然后，我們創建了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，我們使用set方法來修改內部值。由于Cell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由于Cell<T>通過復制值來實現內部可變性，所以它只能用于Copy類型。如果你需要在不可變引用的情況下修改非Copy類型的值，可以考慮使用RefCell<T>。

RefCell<T>

RefCell<T>是一個內部可變性類型，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>不同，RefCell<T>可以用于非Copy類型。

RefCell<T>通過借用檢查來確保運行時的安全性。當你嘗試獲取一個可變引用時，RefCell<T>會檢查是否已經有其他可變引用或不可變引用。如果有，則會發生運行時錯誤。

RefCell<T>通常用于以下情況：

• 當你需要在不可變引用的情況下修改內部值時，可以使用RefCell<T>來實現內部可變性。

• 當你需要在結構體中包含一個可變字段時，可以使用RefCell<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用RefCell<T>來修改內部值：

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let x = RefCell::new(vec![1, 2, 3]);
    let y = &x;
    let z = &x;
    x.borrow_mut().push(4);
    y.borrow_mut().push(5);
    z.borrow_mut().push(6);
    println!("x: {:?}", x.borrow());
}
復制代碼

這個例子中，我們使用RefCell::new來創建一個新的RefCell<T>實例。然后，我們創建了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，我們使用borrow_mut方法來獲取一個可變引用，并使用它來修改內部值。由于RefCell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由于RefCell<T>通過借用檢查來確保運行時的安全性，所以當你嘗試獲取一個可變引用時，如果已經有其他可變引用或不可變引用，則會發生運行時錯誤。from劉金，轉載請注明原文鏈接。感謝！