第9章实现 Vec on 编程那些事儿

9.1 布局

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

译文 · 基于 The Rustonomicon

布局

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

　　首先，我们需要确定 struct 布局。Vec 有三部分：指向分配的指针、分配的大小、已初始化元素的数量。

　　直观上，我们只需这种设计：

pub struct Vec<T> {
 ptr: *mut T,
 cap: usize,
 len: usize,
}

　　这确实能编译。不幸的是，它会过于严格。编译器会给出过于严格的 variance。于是 &Vec<&'static str> 不能用在需要 &Vec<&'a str> 的地方。详见所有权与 lifetime 章节。

9.2 分配

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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分配

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-alloc.html

　　使用 NonNull 会打乱 Vec（以及 indeed 所有 std 集合）的一个重要特性：创建空 Vec 实际上根本不分配。这与分配零大小内存块不同——全局分配器不允许后者（会导致未定义行为！）。因此若不能分配，也不能在 ptr 里放 null pointer，Vec::new 怎么办？我们在里面放点别的垃圾就行！

9.3 Push 与 Pop

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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Push 与 Pop

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-push-pop.html

　　好。我们能初始化，能分配。来实现些功能吧！从 push 开始。它只需检查是否已满并在需要时 grow，无条件写入下一 index，然后递增 length。

9.4 释放

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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释放

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-dealloc.html

　　接下来应实现 Drop，以免大量泄漏资源。最简单是不断调用 pop 直到返回 None，然后 deallocate 缓冲区。注意若 T: !Drop，调用 pop 是不必要的。理论上可以问 Rust T 是否 needs_drop 并省略 pop 调用。但实践中 LLVM 非常擅长去掉这类简单无副作用代码，除非发现没被 strip 否则我不 bother（此例会被 strip）。

9.5 Deref

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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Deref

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-deref.html

　　好！我们有了像样的最小栈实现。能 push、能 pop、能自我清理。然而还缺大量合理想要的功能。尤其我们有了真正的数组，却没有 slice 功能。这很好解决：实现 Deref<Target=[T]>。这会神奇地让 Vec 在各种情况下强制转换为 slice 并表现得像 slice。

9.6 Insert 与 Remove

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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Insert 与 Remove

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-insert-remove.html

　　slice 不提供 insert 和 remove，我们来实现。

　　insert 需要把目标 index 处的所有元素右移一位。为此用 ptr::copy，即 C 的 memmove 的 Rust 版。它把一块内存从一处复制到另一处，正确处理源与目标重叠的情况（此处必然会发生）。

9.7 IntoIter

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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IntoIter

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-into-iter.html

　　来写迭代器。iter 和 iter_mut thanks to Deref 的 Magic 已经有了。然而 Vec 提供而 slice 不能提供的两个有趣迭代器是 into_iter 和 drain。

　　IntoIter 按值消费 Vec，因此可以按值 yield 元素。为此 IntoIter 需要取得 Vec 分配的控制权。

9.8 RawVec

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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RawVec

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-raw.html

　　我们 reached 一个有趣处境：在 Vec 和 IntoIter 中 duplicated 了指定缓冲区并释放其内存的逻辑。既然已经实现并识别出真正的逻辑重复，正是做逻辑压缩的好时机。

9.9 Drain

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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Drain

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-drain.html

　　接下来实现 Drain。Drain 与 IntoIter 大体相同，区别在于它不消费 Vec，而是借用 Vec 并保留其分配不变。目前我们只实现「基础」的全范围版本。

9.10 处理零大小类型

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

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处理零大小类型

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-zsts.html

　　是时候了。我们要对付零大小类型（ZST，zero-sized type）这个幽灵。Safe Rust 从不需要关心这件事，但 Vec 大量依赖裸指针和裸分配，而这两者恰恰最在意零大小类型。我们需要小心两件事：

9.11 最终代码

Thu, 06 Aug 2026 17:08:00 +0800

译文 · 基于 The Rustonomicon

最终代码

原文链接: https://doc.rust-lang.org/nomicon/vec/vec-final.html

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use std::alloc::{self, Layout};
use std::marker::PhantomData;
use std::mem;
use std::ops::{Deref, DerefMut};
use std::ptr::{self, NonNull};

struct RawVec<T> {
 ptr: NonNull<T>,
 cap: usize,
}

unsafe impl<T: Send> Send for RawVec<T> {}
unsafe impl<T: Sync> Sync for RawVec<T> {}

impl<T> RawVec<T> {
 fn new() -> Self {
 // !0 即 usize::MAX。这个分支应在编译期被剔除。
 let cap = if mem::size_of::<T>() == 0 { !0 } else { 0 };

 // `NonNull::dangling()` 同时表示「未分配」和「零大小分配」
 RawVec {
 ptr: NonNull::dangling(),
 cap,
 }
 }

 fn grow(&mut self) {
 // 因为 T 大小为 0 时我们把容量设为 usize::MAX，
 // 能走到这里必然意味着 Vec 已满。
 assert!(mem::size_of::<T>() != 0, "capacity overflow");

 let (new_cap, new_layout) = if self.cap == 0 {
 (1, Layout::array::<T>(1))
 } else {
 // 这不会溢出，因为 self.cap <= isize::MAX。
 let new_cap = 2 * self.cap;
 (new_cap, Layout::array::<T>(new_cap))
 };

 // `Layout::array` 检查分配字节数在 1..=isize::MAX 内，
 // 否则会报错。由于上述条件，不可能分配 0 字节。
 let new_layout = new_layout.expect("Allocation too large");

 let new_ptr = if self.cap == 0 {
 unsafe { alloc::alloc(new_layout) }
 } else {
 let old_layout = Layout::array::<T>(self.cap).unwrap();
 let old_ptr = self.ptr.as_ptr() as *mut u8;
 unsafe { alloc::realloc(old_ptr, old_layout, new_layout.size()) }
 };

 // 若分配失败，`new_ptr` 为 null，此时我们 abort。
 self.ptr = match NonNull::new(new_ptr as *mut T) {
 Some(p) => p,
 None => alloc::handle_alloc_error(new_layout),
 };
 self.cap = new_cap;
 }
}

impl<T> Drop for RawVec<T> {
 fn drop(&mut self) {
 let elem_size = mem::size_of::<T>();

 if self.cap != 0 && elem_size != 0 {
 unsafe {
 alloc::dealloc(
 self.ptr.as_ptr() as *mut u8,
 Layout::array::<T>(self.cap).unwrap(),
 );
 }
 }
 }
}

pub struct Vec<T> {
 buf: RawVec<T>,
 len: usize,
}

impl<T> Vec<T> {
 fn ptr(&self) -> *mut T {
 self.buf.ptr.as_ptr()
 }

 fn cap(&self) -> usize {
 self.buf.cap
 }

 pub fn new() -> Self {
 Vec {
 buf: RawVec::new(),
 len: 0,
 }
 }
 pub fn push(&mut self, elem: T) {
 if self.len == self.cap() {
 self.buf.grow();
 }

 unsafe {
 ptr::write(self.ptr().add(self.len), elem);
 }

 // 不会溢出，我们会先 OOM。
 self.len += 1;
 }

 pub fn pop(&mut self) -> Option<T> {
 if self.len == 0 {
 None
 } else {
 self.len -= 1;
 unsafe { Some(ptr::read(self.ptr().add(self.len))) }
 }
 }

 pub fn insert(&mut self, index: usize, elem: T) {
 assert!(index <= self.len, "index out of bounds");
 if self.len == self.cap() {
 self.buf.grow();
 }

 unsafe {
 ptr::copy(
 self.ptr().add(index),
 self.ptr().add(index + 1),
 self.len - index,
 );
 ptr::write(self.ptr().add(index), elem);
 }

 self.len += 1;
 }

 pub fn remove(&mut self, index: usize) -> T {
 assert!(index < self.len, "index out of bounds");

 self.len -= 1;

 unsafe {
 let result = ptr::read(self.ptr().add(index));
 ptr::copy(
 self.ptr().add(index + 1),
 self.ptr().add(index),
 self.len - index,
 );
 result
 }
 }

 pub fn drain(&mut self) -> Drain<T> {
 let iter = unsafe { RawValIter::new(&self) };

 // 这是 mem::forget 相关的安全考量。若 Drain 被 forget，我们
 // 只会泄漏整个 Vec 的内容。而且我们*终究*要做这件事，
 // 何不现在就做？
 self.len = 0;

 Drain {
 iter,
 vec: PhantomData,
 }
 }
}

impl<T> Drop for Vec<T> {
 fn drop(&mut self) {
 while let Some(_) = self.pop() {}
 // 释放由 RawVec 处理
 }
}

impl<T> Deref for Vec<T> {
 type Target = [T];
 fn deref(&self) -> &[T] {
 unsafe { std::slice::from_raw_parts(self.ptr(), self.len) }
 }
}

impl<T> DerefMut for Vec<T> {
 fn deref_mut(&mut self) -> &mut [T] {
 unsafe { std::slice::from_raw_parts_mut(self.ptr(), self.len) }
 }
}

impl<T> IntoIterator for Vec<T> {
 type Item = T;
 type IntoIter = IntoIter<T>;
 fn into_iter(self) -> IntoIter<T> {
 let (iter, buf) = unsafe {
 (RawValIter::new(&self), ptr::read(&self.buf))
 };

 mem::forget(self);

 IntoIter {
 iter,
 _buf: buf,
 }
 }
}

struct RawValIter<T> {
 start: *const T,
 end: *const T,
}

impl<T> RawValIter<T> {
 unsafe fn new(slice: &[T]) -> Self {
 RawValIter {
 start: slice.as_ptr(),
 end: if mem::size_of::<T>() == 0 {
 ((slice.as_ptr() as usize) + slice.len()) as *const _
 } else if slice.len() == 0 {
 slice.as_ptr()
 } else {
 slice.as_ptr().add(slice.len())
 },
 }
 }
}

impl<T> Iterator for RawValIter<T> {
 type Item = T;
 fn next(&mut self) -> Option<T> {
 if self.start == self.end {
 None
 } else {
 unsafe {
 if mem::size_of::<T>() == 0 {
 self.start = (self.start as usize + 1) as *const _;
 Some(ptr::read(NonNull::<T>::dangling().as_ptr()))
 } else {
 let old_ptr = self.start;
 self.start = self.start.offset(1);
 Some(ptr::read(old_ptr))
 }
 }
 }
 }

 fn size_hint(&self) -> (usize, Option<usize>) {
 let elem_size = mem::size_of::<T>();
 let len = (self.end as usize - self.start as usize)
 / if elem_size == 0 { 1 } else { elem_size };
 (len, Some(len))
 }
}

impl<T> DoubleEndedIterator for RawValIter<T> {
 fn next_back(&mut self) -> Option<T> {
 if self.start == self.end {
 None
 } else {
 unsafe {
 if mem::size_of::<T>() == 0 {
 self.end = (self.end as usize - 1) as *const _;
 Some(ptr::read(NonNull::<T>::dangling().as_ptr()))
 } else {
 self.end = self.end.offset(-1);
 Some(ptr::read(self.end))
 }
 }
 }
 }
}

pub struct IntoIter<T> {
 _buf: RawVec<T>, // 我们并不真正关心它，只需要它活着。
 iter: RawValIter<T>,
}

impl<T> Iterator for IntoIter<T> {
 type Item = T;
 fn next(&mut self) -> Option<T> {
 self.iter.next()
 }
 fn size_hint(&self) -> (usize, Option<usize>) {
 self.iter.size_hint()
 }
}

impl<T> DoubleEndedIterator for IntoIter<T> {
 fn next_back(&mut self) -> Option<T> {
 self.iter.next_back()
 }
}

impl<T> Drop for IntoIter<T> {
 fn drop(&mut self) {
 for _ in &mut *self {}
 }
}

pub struct Drain<'a, T: 'a> {
 vec: PhantomData<&'a mut Vec<T>>,
 iter: RawValIter<T>,
}

impl<'a, T> Iterator for Drain<'a, T> {
 type Item = T;
 fn next(&mut self) -> Option<T> {
 self.iter.next()
 }
 fn size_hint(&self) -> (usize, Option<usize>) {
 self.iter.size_hint()
 }
}

impl<'a, T> DoubleEndedIterator for Drain<'a, T> {
 fn next_back(&mut self) -> Option<T> {
 self.iter.next_back()
 }
}

impl<'a, T> Drop for Drain<'a, T> {
 fn drop(&mut self) {
 // 预先 drain 迭代器
 for _ in &mut *self {}
 }
}
#
# fn main() {
# tests::create_push_pop();
# tests::iter_test();
# tests::test_drain();
# tests::test_zst();
# println!("All tests finished OK");
# }
#
# mod tests {
# use super::*;
#
# pub fn create_push_pop() {
# let mut v = Vec::new();
# v.push(1);
# assert_eq!(1, v.len());
# assert_eq!(1, v[0]);
# for i in v.iter_mut() {
# *i += 1;
# }
# v.insert(0, 5);
# let x = v.pop();
# assert_eq!(Some(2), x);
# assert_eq!(1, v.len());
# v.push(10);
# let x = v.remove(0);
# assert_eq!(5, x);
# assert_eq!(1, v.len());
# }
#
# pub fn iter_test() {
# let mut v = Vec::new();
# for i in 0..10 {
# v.push(Box::new(i))
# }
# let mut iter = v.into_iter();
# let first = iter.next().unwrap();
# let last = iter.next_back().unwrap();
# drop(iter);
# assert_eq!(0, *first);
# assert_eq!(9, *last);
# }
#
# pub fn test_drain() {
# let mut v = Vec::new();
# for i in 0..10 {
# v.push(Box::new(i))
# }
# {
# let mut drain = v.drain();
# let first = drain.next().unwrap();
# let last = drain.next_back().unwrap();
# assert_eq!(0, *first);
# assert_eq!(9, *last);
# }
# assert_eq!(0, v.len());
# v.push(Box::new(1));
# assert_eq!(1, *v.pop().unwrap());
# }
#
# pub fn test_zst() {
# let mut v = Vec::new();
# for _i in 0..10 {
# v.push(())
# }
#
# let mut count = 0;
#
# for _ in v.into_iter() {
# count += 1
# }
#
# assert_eq!(10, count);
# }
# }

第9章 实现 Vec on 编程那些事儿

9.1 布局

布局

9.2 分配

分配

9.3 Push 与 Pop

Push 与 Pop

9.4 释放

释放

9.5 Deref

Deref

9.6 Insert 与 Remove

Insert 与 Remove

9.7 IntoIter

IntoIter

9.8 RawVec

RawVec

9.9 Drain

Drain

9.10 处理零大小类型

处理零大小类型

9.11 最终代码

最终代码

第9章实现 Vec on 编程那些事儿