rust中智能指針的實(shí)現(xiàn)
更新時(shí)間：2025年06月27日 09:44:02 作者：pumpkin84514
Rust智能指針通過所有權(quán)實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)管理,包含Box、Rc、Arc、Mutex等類型,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧
1、 什么是智能指針？Rust 三類指針對(duì)比
| 類型 | 安全性 | 借用檢查 | 是否自動(dòng)釋放 | 功能特點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|
| &T, &mut T | ? 是 | ? 是 | ? 是 | 借用引用，不擁有數(shù)據(jù) |
| *const T, *mut T | ? 否 | ? 否 | ? 否 | 原生裸指針，用于 FFI、底層控制 |
| 智能指針（如 Box） | ? 是 | ? 是/部分 | ? 是 | 擁有數(shù)據(jù)，帶有自動(dòng)釋放和額外功能 |
?? 智能指針本質(zhì)是一個(gè)擁有值的結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)了 Deref 和 Drop，讓你可以像指針一樣訪問值，又能自動(dòng)釋放資源。
2、原生指針 *const T：危險(xiǎn)但有用
fn main() {
let x = 5;
let p: *const i32 = &x; // 獲取原生指針
unsafe {
println!("值是：{}", *p); // 只有在 unsafe 代碼塊中才能解引用
}
}
? 只讀，不會(huì)自動(dòng)釋放。
? 無生命周期、越界檢查，容易懸垂。
?? 用于與 C 語(yǔ)言交互或?qū)崿F(xiàn)底層結(jié)構(gòu)。
手動(dòng)釋放：Box::into_raw / from_raw
fn main() {
let b = Box::new(42);
let ptr = Box::into_raw(b); // 轉(zhuǎn)換為裸指針，不再自動(dòng)釋放
unsafe {
let b2 = Box::from_raw(ptr); // 重新接管所有權(quán)
println!("恢復(fù)值：{}", b2);
} // 自動(dòng)釋放
}
?? 記住：誰(shuí) into_raw，誰(shuí)就必須 from_raw，否則泄漏！
3、常見智能指針逐個(gè)講清
Box：在堆上分配值
fn main() {
let b = Box::new(100); // 將整數(shù) 100 放到堆上
println!("b 的值是：{}", *b); // 解引用訪問
} // 離開作用域自動(dòng)釋放（RAII）
適合：大對(duì)象、遞歸結(jié)構(gòu)、強(qiáng)制所有權(quán)轉(zhuǎn)移。
Rc：?jiǎn)尉€程引用計(jì)數(shù)共享
use std::rc::Rc;
fn main() {
let a = Rc::new("hello".to_string());
let b = Rc::clone(&a); // 引用計(jì)數(shù) +1
println!("a = {}, b = {}", a, b); // 多個(gè)變量共享同一塊內(nèi)存
}
適合：多個(gè)地方共享不可變數(shù)據(jù)，如圖結(jié)構(gòu)、緩存。
?? 注意：不能用于多線程。
RefCell / Cell：內(nèi)部可變性
use std::cell::RefCell;
fn main() {
let x = RefCell::new(10); // 創(chuàng)建可變?nèi)萜?
*x.borrow_mut() += 5; // 可變借用
println!("當(dāng)前值: {}", x.borrow());
}
- RefCell：運(yùn)行時(shí)借用檢查，支持引用。
- Cell：適合
Copy類型的值，用 get/set 讀寫。
Cow：寫時(shí)復(fù)制，節(jié)省資源
use std::borrow::Cow;
fn modify(input: Cow<str>) -> Cow<str> {
if input.contains("x") {
Cow::Owned(input.replace("x", "y")) // 真要改時(shí)才復(fù)制
} else {
input
}
}
fn main() {
let s = Cow::Borrowed("hexo");
let result = modify(s);
println!("結(jié)果：{}", result);
}
適合：讀取多、寫入少的場(chǎng)景，如配置、模板處理。
Option 與智能指針
fn get_name() -> Option<&'static str> {
Some("Tom")
}
fn main() {
if let Some(name) = get_name() {
println!("找到名字：{}", name);
}
}
Option 表示“可能有值”或“無值”，智能指針經(jīng)常作為 Option 的值使用，用于“延遲初始化”。
4、 并發(fā)智能指針
Arc：線程安全引用計(jì)數(shù)
use std::sync::Arc;
fn main() {
let a = Arc::new(42);
let b = Arc::clone(&a);
println!("a = {}, b = {}", a, b);
}
?? 與 Rc 類似，但用原子操作實(shí)現(xiàn)，適合多線程。
Mutex：互斥鎖保護(hù)數(shù)據(jù)
use std::sync::Mutex;
fn main() {
let m = Mutex::new(0);
{
let mut data = m.lock().unwrap();
*data += 1;
}
println!("當(dāng)前值: {:?}", m);
}
?? 一次只能一個(gè)線程修改。
RwLock：讀多寫少，效率高
use std::sync::RwLock;
fn main() {
let lock = RwLock::new(10);
{
let r1 = lock.read().unwrap();
let r2 = lock.read().unwrap();
println!("讀者1: {}, 讀者2: {}", r1, r2);
}
{
let mut w = lock.write().unwrap();
*w += 10;
}
println!("寫后值: {}", *lock.read().unwrap());
}
AtomicUsize：無鎖計(jì)數(shù)器
use std::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
fn main() {
let counter = AtomicUsize::new(0);
counter.fetch_add(1, Ordering::SeqCst); // 原子 +1
println!("計(jì)數(shù)器值: {}", counter.load(Ordering::SeqCst));
}
適合：高性能并發(fā)狀態(tài)計(jì)數(shù)，如連接數(shù)、任務(wù)狀態(tài)。
5、高階用法組合：Arc<Mutex>
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;
fn main() {
let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let mut handles = vec![];
for _ in 0..10 {
let c = Arc::clone(&counter);
let handle = thread::spawn(move || {
let mut num = c.lock().unwrap();
*num += 1;
});
handles.push(handle);
}
for h in handles {
h.join().unwrap();
}
println!("最終結(jié)果: {}", *counter.lock().unwrap());
}
6、深入進(jìn)階：Weak / Pin / UnsafeCell
Weak：打破 Rc/Arc 的循環(huán)引用
use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;
struct Node {
next: RefCell<Option<Rc<Node>>>,
prev: RefCell<Option<Weak<Node>>>, // 使用弱引用避免循環(huán)
}
?? Rc::downgrade(&rc) 轉(zhuǎn)換為 Weak，不計(jì)入引用計(jì)數(shù)
?? .upgrade() 返回 Option<Rc>
Pin：防止對(duì)象被移動(dòng)
use std::pin::Pin;
fn main() {
let data = String::from("hello");
let pinned = Pin::new(&data);
println!("{}", pinned);
}
?? 用于 Future、self-referential 結(jié)構(gòu)
?? Box::pin() 可固定對(duì)象
UnsafeCell：RefCell/Mutex 背后的魔法
use std::cell::UnsafeCell;
struct MyType {
data: UnsafeCell<i32>,
}
unsafe impl Sync for MyType {}
fn main() {
let x = MyType { data: UnsafeCell::new(0) };
unsafe {
*x.data.get() = 42;
println!("{}", *x.data.get());
}
}
?? 允許穿透不可變引用進(jìn)行修改，底層實(shí)現(xiàn) RefCell、Mutex
場(chǎng)景速查表
| 類型 | 線程安全 | 可變性 | 常見用途 |
|---|---|---|---|
| Box | ? 否 | ? 是 | 所有權(quán)轉(zhuǎn)移，遞歸結(jié)構(gòu) |
| Rc | ? 否 | ? 否 | 單線程共享只讀數(shù)據(jù) |
| RefCell | ? 否 | ? 是 | 內(nèi)部可變性，運(yùn)行時(shí)借用檢查 |
| Cell | ? 否 | ? 是 | Copy 類型小數(shù)據(jù)的替換 |
| Cow | ? 是 | ? 是 | 寫時(shí)復(fù)制，節(jié)省資源 |
| Arc | ? 是 | ? 否 | 多線程只讀共享 |
| Mutex | ? 是 | ? 是 | 多線程可變共享 |
| RwLock | ? 是 | ? 是 | 多讀單寫 |
| AtomicUsize | ? 是 | ? 是 | 無鎖計(jì)數(shù)器，高性能狀態(tài)共享 |
| Weak | ? 是 | ? 否 | 打破 Rc/Arc 循環(huán)引用 |
| Pin | ? 是 | ? 否 | 防止移動(dòng)，適用于異步/自引用結(jié)構(gòu) |
| UnsafeCell | ?（需手動(dòng)保證） | ? 是 | RefCell / Mutex 的底層支撐 |
總結(jié)建議
- 智能指針 = 擁有數(shù)據(jù) + 自動(dòng)管理資源 + 像引用一樣使用
- Rc、RefCell 是組合神器，但要小心引用環(huán)
- Arc + Mutex 是并發(fā)安全的常見搭配
- 遇到底層問題，了解 Pin / UnsafeCell 能更深入掌握 Rust 內(nèi)存模型
到此這篇關(guān)于rust中智能指針的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)rust 智能指針內(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！
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