10.1.1 布局

译文 · 基于 The Rustonomicon

布局

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/arc-mutex/arc-layout.html

　　先为 Arc 实现确定布局。

　　Arc<T> 提供类型 T 值的线程安全共享所有权，分配在堆上。共享在 Rust 中意味着不可变，因此我们不必设计管理该值访问的机制，对吧？虽然 Mutex 等内部可变性类型允许 Arc 用户创造共享可变性，Arc 本身不必操心这些。

　　然而 Arc 确实有一处必须考虑变更：销毁。当 Arc 的所有所有者都消失时，我们必须能 drop 其内容并释放分配。因此所有者需要知道自己是最后一个所有者，最简单的方式是计数——引用计数（Reference Counting）。

　　不幸的是，这个引用计数本质上是共享可变状态，所以 Arc 确实要考虑同步。我们可以用 Mutex，但杀鸡用牛刀。改用原子操作。既然每个人都需要指向 T 分配的指针，不妨把引用计数放在同一分配里。

　　朴素地看，大致如下：

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use std::sync::atomic;

pub struct Arc<T> {
    ptr: *mut ArcInner<T>,
}

pub struct ArcInner<T> {
    rc: atomic::AtomicUsize,
    data: T,
}

　　这能编译，但不正确。首先，编译器会给出过严的 variance（变型）。例如 Arc<&'static str> 无法用在需要 Arc<&'a str> 的地方。更重要的是，它会给 drop checker 错误的所有权信息，因为它会假设我们不拥有任何 T 类型的值。作为提供值共享所有权的结构，总会有某个实例完全拥有其数据。详见所有权与 lifetime 一章中关于 variance 与 drop check 的全部细节。

　　为修复第一个问题，可用 NonNull<T>。注意 NonNull<T> 是对裸指针的包装，声明：

• 我们对 T 协变（covariant）
• 我们的指针永不为 null

　　为修复第二个问题，可加入包含 ArcInner<T> 的 PhantomData 标记。这会告诉 drop checker，我们对 ArcInner<T> 类型的值（其本身包含某个 T）有某种所有权概念。

　　经过这些改动，最终结构如下：

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use std::marker::PhantomData;
use std::ptr::NonNull;
use std::sync::atomic::AtomicUsize;

pub struct Arc<T> {
    ptr: NonNull<ArcInner<T>>,
    phantom: PhantomData<ArcInner<T>>,
}

pub struct ArcInner<T> {
    rc: AtomicUsize,
    data: T,
}