Rust中的智能指针:Box<T> Rc<T> Arc<T> Cell<T> RefCell<T> Weak<T>

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Box<T> 用于在堆上分配值。Rc<T> 是一种引用计数类型，可以实现数据的多重所有权。RefCell<T> 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

• Box<T>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。
• Rc<T>和Arc<T>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。Rc<T>不是线程安全的，而Arc<T>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Cell<T>，RefCell<T>和UnsafeCell<T>。

• Cell<T>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。Cell<T>只能用于Copy类型，因为它通过复制值来实现内部可变性。
• RefCell<T>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Cell<T>不同，RefCell<T>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。
• UnsafeCell<T>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Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何运行时检查来确保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能会导致未定义行为。

此外，Rust还提供了一种弱引用类型Weak<T>，它可以与Rc<T>或Arc<T>一起使用来创建循环引用。Weak<T>不会增加引用计数，因此它不会阻止值被释放。

Box<T>

Box<T>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。

Box<T>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Box<T>来在堆上分配内存。例如，递归类型通常需要使用Box<T>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Box<T>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Box<T>。例如，当你需要将一个闭包传递给函数时，可以使用Box<T>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Box<T>。

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Box<T>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Rc<T>

Rc<T> Reference Counted 引用计数

Rc<T>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。Rc<T>不是线程安全的，因此不能在多线程环境中使用。

Rc<T>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Rc<T>。解决了使用Box<T>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Rc<T>和Weak<T>来实现。

下面是一个简单的例子，演示如何使用Rc<T>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Rc<T>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Rc<T>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Rc<T>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Arc<T>

Arc<T> Atomically Reference Counted 原子引用计数

Arc<T>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。

Arc<T>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Arc<T>，是Rc<T>的多线程版本。
• 当你希望在线程之间传递数据时，可以使用Arc<T>来实现。

下面是一个简单的例子，演示如何使用Arc<T>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Arc<T>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Arc<T>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。

Weak<T> 弱引用类型

Weak<T>是一个弱引用类型，它可以与Rc<T>或Arc<T>一起使用来创建循环引用。Weak<T>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Rc<T>或Arc<T>和Weak<T>来实现。

Weak<T>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Weak<T>来实现。由于Weak<T>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Rc<T>和Weak<T>来创建一个循环引用：

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());
}
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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Weak<T>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。

UnsafeCell<T>

UnsafeCell<T>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Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何运行时检查来确保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能会导致未定义行为。

由于UnsafeCell<T>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Cell<T>和RefCell<T>）的基础。

下面是一个简单的例子，演示如何使用UnsafeCell<T>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UnsafeCell<T>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UnsafeCell<T>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UnsafeCell<T>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Cell<T>和RefCell<T>），而不是直接使用UnsafeCell<T>。

Cell<T>

Cell<T>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。Cell<T>只能用于Copy类型，因为它通过复制值来实现内部可变性。

Cell<T>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Cell<T>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Cell<T>来实现。 下面是一个简单的例子，演示如何使用Cell<T>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Cell<T>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Cell<T>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Cell<T>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RefCell<T>。

RefCell<T>

RefCell<T>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Cell<T>不同，RefCell<T>可以用于非Copy类型。

RefCell<T>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，RefCell<T>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。

RefCell<T>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RefCell<T>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RefCell<T>来实现。

下面是一个简单的例子，演示如何使用RefCell<T>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RefCell<T>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RefCell<T>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RefCell<T>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。from刘金，转载请注明原文链接。感谢！