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智能指针#xff08;smart pointers#xff09;是一类数据结构#xff0c;是拥有数据所有权和额外功能的指针。是指针的进一步发展
指针#xff08;pointer#xff09;是一个包含内存地址的变量的通用概念。这个地址引用#xff0c;或 ” 指向”…Rust中的智能指针是什么
智能指针smart pointers是一类数据结构是拥有数据所有权和额外功能的指针。是指针的进一步发展
指针pointer是一个包含内存地址的变量的通用概念。这个地址引用或 ” 指向”points at一些其 他数据 。引用以 符号为标志并借用了他们所 指向的值。除了引用数据没有任何其他特殊功能。它们也没有任何额外开销所以在Rust中应用得最多。
智能指针是Rust中一种特殊的数据结构。它与普通指针的本质区别在于普通指针是对值的借用而智能指针通常拥有对数据的所有权。并且可以实现很多额外的功能。
Rust智能指针有什么用解决了什么问题
它提供了许多强大的抽象来帮助程序员管理内存和并发。其中一些抽象包括智能指针和内部可变性类型它们可以帮助你更安全、更高效地管理内存,例如BoxT 用于在堆上分配值。RcT 是一种引用计数类型可以实现数据的多重所有权。RefCellT 提供内部可变性可用于实现对同一数据的多个可变引用
它们在标准库中定义可以用来更灵活地管理内存智能指针的一个特点就是实现了Drop和Deref这两个trait。其中Drop trait中提供了drop方法在析构时会去调用。Deref trait提供了自动解引用的能力让我们在使用智能指针的时候不需要再手动解引用了
Rust有哪些常用智能指针
BoxT是最简单的智能指针它允许你在堆上分配值并在离开作用域时自动释放内存。RcT和ArcT是引用计数类型它们允许多个指针指向同一个值。当最后一个指针离开作用域时值将被释放。RcT不是线程安全的而ArcT是线程安全的。
内部可变性类型允许你在不可变引用的情况下修改内部值。Rust中有几种内部可变性类型包括CellTRefCellT和UnsafeCellT。
CellT是一个内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。CellT只能用于Copy类型因为它通过复制值来实现内部可变性。RefCellT也是一个内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。与CellT不同RefCellT可以用于非Copy类型。它通过借用检查来确保运行时的安全性。UnsafeCellT是一个底层的内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。与CellT和RefCellT不同UnsafeCellT不提供任何运行时检查来确保安全性。因此使用UnsafeCellT可能会导致未定义行为。
此外Rust还提供了一种弱引用类型WeakT它可以与RcT或ArcT一起使用来创建循环引用。WeakT不会增加引用计数因此它不会阻止值被释放。
BoxT
BoxT是最简单的智能指针它允许你在堆上分配值并在离开作用域时自动释放内存。
BoxT通常用于以下情况
当你有一个类型但不确定它的大小时可以使用BoxT来在堆上分配内存。例如递归类型通常需要使用BoxT来分配内存。当你有一个大型数据结构并希望在栈上分配内存时可以使用BoxT来在堆上分配内存。这样可以避免栈溢出的问题。当你希望拥有一个值并只关心它的类型而不是所占用的内存时可以使用BoxT。例如当你需要将一个闭包传递给函数时可以使用BoxT来存储闭包。
总之当你需要在堆上分配内存并管理其生命周期时可以考虑使用BoxT。
下面是一个简单的例子
fn main() {let b Box::new(5);println!(b {}, b);
}
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这里定义了变量 b其值是一个指向被分配在堆上的值 5 的 Box。这个程序会打印出 b 5在这个例子 中我们可以像数据是储存在栈上的那样访问 box 中的数据。正如任何拥有数据所有权的值那样当像 b 这样的 box 在 main 的末尾离开作用域时它将被释放。这个释放过程作用于 box 本身位于栈上 和它所指向的数据位于堆上。
但是BoxT无法同时在多个地方对同一个值进行引用
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));
}
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编译会得出如下错误: error[E0382]: use of moved value: a,因为b和c无法同时拥有a的所有权这个时候我们要用RcT
RcT Reference Counted 引用计数
RcT是一个引用计数类型它允许多个指针指向同一个值。当最后一个指针离开作用域时值将被释放。RcT不是线程安全的因此不能在多线程环境中使用。
RcT通常用于以下情况
当你希望在多个地方共享数据时可以使用RcT。解决了使用BoxT共享数据时出现编译错误当你希望创建一个循环引用时可以使用RcT和WeakT来实现。
下面是一个简单的例子演示如何使用RcT来共享数据
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);
}
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这个例子中我们使用Rc::new来创建一个新的RcT实例。然后我们使用clone方法来创建两个新的指针它们都指向同一个值。由于RcT实现了引用计数所以当最后一个指针离开作用域时值将被释放。
但是RcT在多线程中容易引发线程安全问题为了解决这个问题又有了ArcT
ArcT Atomically Reference Counted 原子引用计数
ArcT是一个线程安全的引用计数类型它允许多个指针在多个线程之间共享同一个值。当最后一个指针离开作用域时值将被释放。
ArcT通常用于以下情况
当你希望在多个线程之间共享数据时可以使用ArcT是RcT的多线程版本。当你希望在线程之间传递数据时可以使用ArcT来实现。
下面是一个简单的例子演示如何使用ArcT来在线程之间共享数据
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();
}
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这个例子中我们使用Arc::new来创建一个新的ArcT实例。然后我们使用clone方法来创建两个新的指针它们都指向同一个值。接着我们在线程中使用这些指针来访问共享数据。由于ArcT实现了线程安全的引用计数所以当最后一个指针离开作用域时值将被释放。
WeakT 弱引用类型
WeakT是一个弱引用类型它可以与RcT或ArcT一起使用来创建循环引用。WeakT不会增加引用计数因此它不会阻止值被释放。
当你希望创建一个循环引用时可以使用RcT或ArcT和WeakT来实现。
WeakT通常用于以下情况 当你希望观察一个值而不拥有它时可以使用WeakT来实现。由于WeakT不会增加引用计数所以它不会影响值的生命周期。
下面是一个简单的例子演示如何使用RcT和WeakT来创建一个循环引用
use std::rc::{Rc, Weak};struct Node {value: i32,next: OptionRcNode,prev: OptionWeakNode,
}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());
}
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这个例子中我们定义了一个Node结构体它包含一个值、一个指向下一个节点的指针和一个指向前一个节点的弱引用。然后我们创建了两个节点first和second并使用Rc::downgrade方法来创建一个弱引用。最后我们将两个节点连接起来形成一个循环引用。
需要注意的是由于WeakT不会增加引用计数所以它不会阻止值被释放。当你需要访问弱引用指向的值时可以使用upgrade方法来获取一个临时的强引用。如果值已经被释放则upgrade方法会返回None。
UnsafeCellT
UnsafeCellT是一个底层的内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。与CellT和RefCellT不同UnsafeCellT不提供任何运行时检查来确保安全性。因此使用UnsafeCellT可能会导致未定义行为。
由于UnsafeCellT是一个底层类型它通常不直接用于应用程序代码。相反它被用作其他内部可变性类型如CellT和RefCellT的基础。
下面是一个简单的例子演示如何使用UnsafeCellT来修改内部值
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() });
}
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这个例子中我们使用UnsafeCell::new来创建一个新的UnsafeCellT实例。然后我们创建了两个不可变引用y和z它们都指向同一个值。接着在一个unsafe块中我们使用get方法来获取一个裸指针并使用它来修改内部值。由于UnsafeCellT实现了内部可变性所以我们可以在不可变引用的情况下修改内部值。
需要注意的是由于UnsafeCellT不提供任何运行时检查来确保安全性所以使用它可能会导致未定义行为。因此在大多数情况下你应该使用其他内部可变性类型如CellT和RefCellT而不是直接使用UnsafeCellT。
CellT
CellT是一个内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。CellT只能用于Copy类型因为它通过复制值来实现内部可变性。
CellT通常用于以下情况
当你需要在不可变引用的情况下修改内部值时可以使用CellT来实现内部可变性。当你需要在结构体中包含一个可变字段时可以使用CellT来实现。 下面是一个简单的例子演示如何使用CellT来修改内部值
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());
}
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这个例子中我们使用Cell::new来创建一个新的CellT实例。然后我们创建了两个不可变引用y和z它们都指向同一个值。接着我们使用set方法来修改内部值。由于CellT实现了内部可变性所以我们可以在不可变引用的情况下修改内部值。
需要注意的是由于CellT通过复制值来实现内部可变性所以它只能用于Copy类型。如果你需要在不可变引用的情况下修改非Copy类型的值可以考虑使用RefCellT。
RefCellT
RefCellT是一个内部可变性类型它允许你在不可变引用的情况下修改内部值。与CellT不同RefCellT可以用于非Copy类型。
RefCellT通过借用检查来确保运行时的安全性。当你尝试获取一个可变引用时RefCellT会检查是否已经有其他可变引用或不可变引用。如果有则会发生运行时错误。
RefCellT通常用于以下情况 当你需要在不可变引用的情况下修改内部值时可以使用RefCellT来实现内部可变性。 当你需要在结构体中包含一个可变字段时可以使用RefCellT来实现。
下面是一个简单的例子演示如何使用RefCellT来修改内部值
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());
}
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这个例子中我们使用RefCell::new来创建一个新的RefCellT实例。然后我们创建了两个不可变引用y和z它们都指向同一个值。接着我们使用borrow_mut方法来获取一个可变引用并使用它来修改内部值。由于RefCellT实现了内部可变性所以我们可以在不可变引用的情况下修改内部值。
需要注意的是由于RefCellT通过借用检查来确保运行时的安全性所以当你尝试获取一个可变引用时如果已经有其他可变引用或不可变引用则会发生运行时错误。
