Rust中的智能指针与并发编程

### Rust 中的智能指针与并发编程 #### 1. 指针与智能指针概述 在 Rust 中，指针是存储另一个变量地址的变量。例如，我们创建变量 `x` 和 `y`，分别存储整数值 10 和 20，再创建变量 `x_p` 作为 `x` 的引用，`x_p` 就存储了 `x` 的地址。以下是示例代码： ```rust fn main() { let x = 10; let y = 20; let x_p = &x; println!("x = {}, &x = {:p}", x, &x); println!("y = {}, &y = {:p}", y, &y); println!("x_p = {:p}", x_p); } ``` Rust 中最常见的指针类型是引用，它们只是借用所指向的值，没有额外的功能。而智能指针不仅表现得像指针，还具有额外的功能和元数据。智能指针通常使用结构体实现，它们拥有数据而不是借用数据。智能指针实现了 `Deref` 和 `Drop` 特性，这使得它们变得“智能”。`Deref` 特性允许智能指针结构体实例表现得像引用，`Drop` 特性允许你编写自定义代码，当智能指针实例超出作用域时执行。Rust 标准库中最常见的智能指针有 `Box<T>`、`Rc<T>` 和 `RefCell<T>`。 #### 2. Box<T> 智能指针 `Box<T>` 也称为盒子，是 Rust 中最简单的智能指针，它允许你将数据存储在堆上，栈上只包含指向堆上数据的指针。以下是使用 `Box<T>` 将值存储在堆上的示例： ```rust fn main() { let x = Box::new(10.5); println!("x = {}", x); } ``` 当变量 `x` 超出作用域时，栈上的盒子和堆上的相应数据会被释放。另外，Rust 不允许定义在编译时大小未知的类型，递归类型就是这样的例子。例如： ```rust enum A { B(i32), C(i32, A), } fn main() { let a = A::C(1, A::C(2, A::B(3))); } ``` 这段代码会报错，因为 Rust 编译器在编译时无法确定枚举类型 `A` 的大小。解决方法是在 `C` 的声明中使用 `Box<A>` 代替 `A`： ```rust enum A { B(i32), C(i32, Box<A>), } fn main() { let x = A::C(1, Box::new(A::C(2, Box::new(A::B(3))))); let sz = std::mem::size_of_val(&x); println!("size of x = {}", sz); } ``` 这样，编译器就能计算出变体 `C` 的大小，因为无限递归被消除了。 #### 3. Rc<T> 智能指针 `Rc<T>` 或引用计数智能指针允许数据有多个所有者。它会跟踪对一个值的引用数量，如果引用计数降为零，那么该值不再被使用，可以安全地从内存中清理。它是单线程的引用计数智能指针。以下是一个示例： ```rust enum A { B(i32), C(i32, Rc<A>), } use std::rc::Rc; fn main() { let x = Rc::new(A::C(1, Rc::new(A::C(2, Rc::new(A::B(3))))); println!("count of x = {}", Rc::strong_count(&x)); let _y = A::C(5, Rc::clone(&x)); println!("count of x = {}", Rc::strong_count(&x)); { let _z = A::C(10, Rc::clone(&x)); println!("count of x = {}", Rc::strong_count(&x)); } println!("count of x = {}", Rc::strong_count(&x)); } ``` 在这个例子中，最初 `x` 的引用计数是 1，然后随着 `_y` 和 `_z` 共享它，引用计数增加到 3。当 `_z` 超出作用域时，引用计数又减少 1。 #### 4. RefCell<T> 智能指针 `RefCell<T>` 遵循内部可变性模式，允许你即使在有不可变引用的情况下也能修改数据。它表示单一所有权，类似于 `Box<T>`。Rust 的借用规则允许你有一个可变引用或任意数量的不可变引用，这些引用必须始终有效。对于引用和 `Box<T>`，这些规则的不变性在编译时强制执行，而对于 `RefCell<T>`，则在运行时强制执行。一个常见的使用方式是将 `RefCell<T>` 与 `Rc<T>` 结合使用。以下是示例代码： ```rust #[derive(Debug)] enum A { B(i32), C(Rc<RefCell<i32>>, Rc<A>), } use std::rc::Rc; use std::cell::RefCell; fn main() { let x = Rc::new(RefCell::new(10)); let y = Rc::new(A::C(Rc::clone(&x), Rc::new(A::B(1)))); println!("y = {:?}", y); *x.borrow_mut() += 100; println!("y mutated = {:?}", y); } ``` 在这个例子中，我们创建了一个 `Rc<RefCell<i32>>