Rust語(yǔ)言中級(jí)教程

一、指針

什么是指針

• 指針是計(jì)算機(jī)引用無(wú)法立即直接訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的一種方式（類(lèi)比 書(shū)的目錄）
• 數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存（RAM）中是分散的存儲(chǔ)著
• 地址空間是檢索系統(tǒng)
• 指針就被編碼為內(nèi)存地址，使用 usize 類(lèi)型的整數(shù)表示。
  • 一個(gè)地址就會(huì)指向地址空間中的某個(gè)地方
• 地址空間的范圍是 OS 和 CPU 提供的外觀界面
  • 程序只知道有序的字節(jié)序列，不會(huì)考慮系統(tǒng)中實(shí)際 RAM 的數(shù)量

名詞解釋

• 內(nèi)存地址（地址），就是指代內(nèi)存中單個(gè)字節(jié)的一個(gè)數(shù)
  • 內(nèi)存地址是匯編語(yǔ)言提供的抽象
• 指針（有時(shí)擴(kuò)展稱(chēng)為原始指針），就是指向某種類(lèi)型的一個(gè)內(nèi)存地址
  • 指針是高級(jí)語(yǔ)言提供的抽象
• 引用，就是指針。如果是動(dòng)態(tài)大小的類(lèi)型，就是指針和具有額外保證的一個(gè)整數(shù)
  • 引用是 Rust 提供的抽象

Rust 的引用

• 引用始終引用的是有效數(shù)據(jù)
• 引用與 usize 的倍數(shù)對(duì)齊
• 引用可以為動(dòng)態(tài)大小的類(lèi)型提供上述保障

Rust 的引用 和 指針

static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
    let a = 42;
    let b = &B;
    let c = &C;
    println!("a: {}, b: {:p}, c: {:p}", a, b, c);
}

運(yùn)行

point_demo on  master [?] is ?? 0.1.0 via ?? 1.67.1 via ?? base 
? cargo run           
   Compiling point_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/point_demo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.44s
     Running `target/debug/point_demo`
a: 42, b: 0x1023dc660, c: 0x1023dc66a

point_demo on  master [?] is ?? 0.1.0 via ?? 1.67.1 via ?? base 
? 

• 一個(gè)更加逼真的例子
  • 使用更復(fù)雜的類(lèi)型展示指針內(nèi)部的區(qū)別

use std::mem::size_of;
static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
    // let a = 42;
    // let b = &B;
    // let c = &C;
    // println!("a: {}, b: {:p}, c: {:p}", a, b, c);
    let a: usize = 42;
    let b: Box<[u8]> = Box::new(B);
    let c: &[u8; 11] = &C;
    println!("a (unsigned 整數(shù)):");
    println!("  地址: {:p}", &a);
    println!("  大小:    {:?} bytes", size_of::<usize>());
    println!("  值:  {:?}\n", a);
    println!("b (B 裝在 Box 里):");
    println!("  地址:  {:p}", &b);
    println!("  大小:    {:?} bytes", size_of::<Box<[u8]>>());
    println!("  指向:  {:p}\n", b);
    println!("c (C 的引用):");
    println!("  地址:  {:p}", &c);
    println!("  大小:  {:?} bytes", size_of::<&[u8; 11]>());
    println!("  指向:  {:p}\n", c);
    println!("B (10 bytes 的數(shù)組):");
    println!("  地址:  {:p}", &B);
    println!("  大小:  {:?} bytes", size_of::<[u8; 10]>());
    println!("  值:  {:?}\n", B);
    println!("C (11 bytes 的數(shù)字):");
    println!("  地址:  {:p}", &C);
    println!("  大小:  {:?} bytes", size_of::<[u8; 11]>());
    println!("  值:  {:?}\n", C);
}

運(yùn)行

point_demo on  master [?] is ?? 0.1.0 via ?? 1.67.1 via ?? base 
? cargo run
   Compiling point_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/point_demo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.19s
     Running `target/debug/point_demo`
a (unsigned 整數(shù)):
  地址: 0x16dda9a08
  大小:    8 bytes
  值:  42

b (B 裝在 Box 里):
  地址:  0x16dda9a10
  大小:    16 bytes
  指向:  0x12b606ba0

c (C 的引用):
  地址:  0x16dda9a30
  大小:  8 bytes
  指向:  0x10208d7ba

B (10 bytes 的數(shù)組):
  地址:  0x10208d7b0
  大小:  10 bytes
  值:  [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108]

C (11 bytes 的數(shù)字):
  地址:  0x10208d7ba
  大小:  11 bytes
  值:  [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0]

point_demo on  master [?] is ?? 0.1.0 via ?? 1.67.1 via ?? base 
? 

• 對(duì) B 和 C 中文本進(jìn)行解碼的例子
  • 它創(chuàng)建了一個(gè)與前圖更加相似的內(nèi)存地址布局

use std::borrow::Cow;
use std::ffi::CStr;
use std::os::raw::c_char;
static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
  let a = 42;
  let b: String;
  let c: Cow<str>;
  unsafe {
    let b_ptr = &B as * const u8 as *mut u8;
    b = String::from_raw_parts(b_ptr, 10, 10);
    let c_ptr = &C as *const u8 as *const c_char;
    c = CStr::from_ptr(c_ptr).to_string_lossy();
  }
  println!("a: {}, b: {}, c: {}", a, b, c);
}

Raw Pointers（原始指針）

• Raw Pointer （原始指針）是沒(méi)有 Rust 標(biāo)準(zhǔn)保障的內(nèi)存地址。
  • 這些本質(zhì)上是 unsafe 的
• 語(yǔ)法：
  • 不可變 Raw Pointer：*const T
  • 可變的 Raw Pointer：*mut T
  • 注意：*const T，這三個(gè)標(biāo)記放在一起表示的是一個(gè)類(lèi)型
  • 例子：*const String
• *const T 與 *mut T 之間的差異很小，相互可以自由轉(zhuǎn)換
• Rust 的引用（&mut T 和 &T）會(huì)編譯為原始指針
  • 這意味著無(wú)需冒險(xiǎn)進(jìn)入 unsafe 塊，就可以獲得原始指針的性能
• 例子：把引用轉(zhuǎn)為原始指針

fn main() {
  let a: i64 = 42;
  let a_ptr = &a as *const i64;
  println!("a: {} ({:p})", a, a_ptr);
}

• 解引用（dereference）：通過(guò)指針從 RAM 內(nèi)存提取數(shù)據(jù)的過(guò)程叫做對(duì)指針進(jìn)行解引用（dereferencing a pointer）
• 例子：把引用轉(zhuǎn)為原始指針

fn main() {
  let a: i64 = 42;
  let a_ptr = &a as *const i64;
  let a_addr: usize = unsafe {std::mem::transmute(a_ptr)};
  println!("a: {} ({:p}...0x{:x})", a, a_ptr, a_addr + 7);
}

關(guān)于 Raw Pointer 的提醒

• 在底層，引用（&T 和 &mutT）被實(shí)現(xiàn)為原始指針。但引用帶有額外的保障，應(yīng)該始終作為首選使用
• 訪問(wèn) Raw Pointer 的值總是 unsafe 的
• Raw Pointer 不擁有值的所有權(quán)
  • 在訪問(wèn)時(shí)編譯器不會(huì)檢查數(shù)據(jù)的合法性
• 允許多個(gè) Raw Pointer 指向同一數(shù)據(jù)
  • Rust 無(wú)法保證共享數(shù)據(jù)的合法性

使用 Raw Pointer 的情況

• 不可避免
  • 某些 OS 或 第三方庫(kù)需要使用，例如與C交互
• 共享對(duì)某些內(nèi)容的訪問(wèn)至關(guān)重要，運(yùn)行時(shí)性能要求高

Rust 指針生態(tài)

• Raw Pointer 是 unsafe 的
• Smart Pointer（智能指針）傾向于包裝原始指針，附加更多的能力
  • 不僅僅是對(duì)內(nèi)存地址解引用

Rust 智能指針

到此這篇關(guān)于Rust語(yǔ)言中級(jí)教程之指針的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Rust指針內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論