15-智能指针

精要笔记 · 基于 TRPL 简体中文 第15章

智能指针

指针 = 含内存地址的变量。智能指针 = 类似指针 + 额外元数据/功能；通常拥有所指向的数据。

标准库常用：Box<T>、Rc<T>、RefCell<T>。智能指针实现 Deref 和 Drop trait。

使用 Box<T> 指向堆上的数据

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let b = Box::new(5);
println!("b = {b}");  // 解引用同引用

使用场景：

1. 编译时未知大小的类型（递归类型）
2. 大量数据转移所有权时避免栈拷贝
3. trait 对象（第18章）

Box 允许创建递归类型

• 递归类型编译时大小未知 → 用 Box<T> 打破无限大小（间接存储，指针大小固定）。

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enum List {
    Cons(i32, Box<List>),
    Nil,
}

将智能指针视作常规引用

追踪引用的值

• *y 解引用运算符 — 追踪引用指向的值。

像引用一样使用 Box<T>

• Box<T> 实现了 Deref，可用 * 解引用。

定义我们自己的智能指针

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struct MyBox<T>(T);
impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;
    fn deref(&self) -> &Self::Target { &self.0 }
}

实现 Deref trait

• *y 底层 → *(y.deref()) — 只展开一次，不会无限递归。
• deref 返回引用（不移动所有权）。

在函数和方法中使用 Deref 强制转换

• Deref 强制转换：&T → &U（当 T: Deref<Target=U>）。
• 例：&MyBox<String> → &String → &str，自动适配 hello(name: &str)。
• 编译时完成，无运行时开销。

处理可变引用的 Deref 强制转换

• DerefMut 重载可变引用的 *。
• 三种强制转换：
  1. &T → &U（T: Deref<Target=U>）
  2. &mut T → &mut U（T: DerefMut<Target=U>）
  3. &mut T → &U（T: Deref<Target=U>）— 不可逆

使用 Drop Trait 运行清理代码

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impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) { println!("Dropping!"); }
}
// 变量按创建逆序自动 drop

• 不能显式调用 Drop::drop（会 double free）。
• 提前释放：drop(value) — std::mem::drop 函数（prelude 中）。

Rc<T> 引用计数智能指针

• 引用计数：跟踪所有者数量，为 0 时清理。仅单线程。
• 解决多所有者共享数据（如图结构）。

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enum List {
    Cons(i32, Rc<List>),
    Nil,
}
let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
let b = Cons(3, Rc::clone(&a));  // 惯例用 Rc::clone，非 a.clone()

• Rc::strong_count(&a) 查看引用计数。
• Rc::clone 只增计数，不深拷贝数据。

RefCell<T> 和内部可变性模式

内部可变性：在不可变引用存在时也能修改数据（运行时借用检查）。

• borrow() → Ref<T>；borrow_mut() → RefMut<T>。
• 违反借用规则 → panic（非编译错误）。
• 典型：Rc<RefCell<T>> — 多所有者 + 可修改。

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// Mock 测试：&self 方法内修改内部状态
sent_messages: RefCell<Vec<String>>
self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(msg));

引用循环与内存泄漏

• Rc + RefCell 可能形成引用循环 → 引用计数永不为 0 → 内存泄漏（Rust 认为是内存安全的）。
• 预防：重新设计所有权关系。

使用 Weak<T> 防止引用循环

• Rc::downgrade(&rc) → Weak<T> — 不增加 strong_count，不影响清理。
• weak.upgrade() → Option<Rc<T>> — 值已丢弃则 None。
• 典型：树中子→父用 Weak，父→子用 Rc。

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struct Node {
    value: i32,
    parent: RefCell<Weak<Node>>,
    children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

总结

Deref/Drop 是智能指针核心 trait。多线程用 Arc<T>/Mutex<T>（第16章）。