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<T>

Box<T>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<String>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<String> = 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);}R

引用计数智能指针 Rc<T>

Rc<T>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<T>

Arc<T>类似于 Rc<T>，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<T>

RefCell<T>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<T>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<T>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。

💡 如果想阅读最新的文章，或者有技术问题需要交流和沟通，可搜索并关注微信公众号“希望睿智”。