Rust中的智慧指標:Box<T> Rc<T> Arc<T> Cell<T> RefCell<T> Weak<T>

Rust中的智慧指標是什麼

智慧指標（smart pointers）是一類資料結構，是擁有資料所有權和額外功能的指標。是指標的進一步發展

指標（pointer）是一個包含記憶體地址的變數的通用概念。這個地址引用，或 ” 指向”（points at）一些其 他資料 。引用以 & 符號為標誌並借用了他們所 指向的值。除了引用資料沒有任何其他特殊功能。它們也沒有任何額外開銷，所以在Rust中應用得最多。

智慧指標是Rust中一種特殊的資料結構。它與普通指標的本質區別在於普通指標是對值的借用，而智慧指標通常擁有對資料的所有權。並且可以實現很多額外的功能。

Rust智慧指標有什麼用，解決了什麼問題

它提供了許多強大的抽象來幫助程式設計師管理記憶體和併發。其中一些抽象包括智慧指標和內部可變性型別，它們可以幫助你更安全、更高效地管理記憶體,例如Box<T> 用於在堆上分配值。Rc<T> 是一種引用計數型別，可以實現資料的多重所有權。RefCell<T> 提供內部可變性，可用於實現對同一資料的多個可變引用

它們在標準庫中定義，可以用來更靈活地管理記憶體，智慧指標的一個特點就是實現了Drop和Deref這兩個trait。其中Drop trait中提供了drop方法，在析構時會去呼叫。Deref trait提供了自動解引用的能力，讓我們在使用智慧指標的時候不需要再手動解引用了

Rust有哪些常用智慧指標

• Box<T>是最簡單的智慧指標，它允許你在堆上分配值並在離開作用域時自動釋放記憶體。
• Rc<T>和Arc<T>是引用計數型別，它們允許多個指標指向同一個值。當最後一個指標離開作用域時，值將被釋放。Rc<T>不是執行緒安全的，而Arc<T>是執行緒安全的。

內部可變性型別允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Rust中有幾種內部可變性型別，包括Cell<T>，RefCell<T>和UnsafeCell<T>。

• Cell<T>是一個內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Cell<T>只能用於Copy型別，因為它透過複製值來實現內部可變性。
• RefCell<T>也是一個內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>不同，RefCell<T>可以用於非Copy型別。它透過借用檢查來確保執行時的安全性。
• UnsafeCell<T>是一個底層的內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何執行時檢查來確保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能會導致未定義行為。

此外，Rust還提供了一種弱引用型別Weak<T>，它可以與Rc<T>或Arc<T>一起使用來建立迴圈引用。Weak<T>不會增加引用計數，因此它不會阻止值被釋放。

Box<T>

Box<T>是最簡單的智慧指標，它允許你在堆上分配值並在離開作用域時自動釋放記憶體。

Box<T>通常用於以下情況：

• 當你有一個型別，但不確定它的大小時，可以使用Box<T>來在堆上分配記憶體。例如，遞迴型別通常需要使用Box<T>來分配記憶體。
• 當你有一個大型資料結構並希望在棧上分配記憶體時，可以使用Box<T>來在堆上分配記憶體。這樣可以避免棧溢位的問題。
• 當你希望擁有一個值並只關心它的型別而不是所佔用的記憶體時，可以使用Box<T>。例如，當你需要將一個閉包傳遞給函式時，可以使用Box<T>來儲存閉包。

總之，當你需要在堆上分配記憶體並管理其生命週期時，可以考慮使用Box<T>。

下面是一個簡單的例子：

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", b);
}
複製程式碼

這裡定義了變數 b，其值是一個指向被分配在堆上的值 5 的 Box。這個程式會列印出 b = 5；在這個例子 中，我們可以像資料是儲存在棧上的那樣訪問 box 中的資料。正如任何擁有資料所有權的值那樣，當像 b 這樣的 box 在 main 的末尾離開作用域時，它將被釋放。這個釋放過程作用於 box 本身（位於棧上） 和它所指向的資料（位於堆上）。

但是Box<T>無法同時在多個地方對同一個值進行引用

enum List { 
Cons(i32, Box), 
Nil, 
} 
use crate::List::{Cons, Nil}; 
fn main() {
let a = Cons(5, Box::new(Cons(10, Box::new(Nil)))); 
let b = Cons(3, Box::new(a));
let c = Cons(4, Box::new(a)); 
}
複製程式碼

編譯會得出如下錯誤: error[E0382]: use of moved value: a,因為b和c無法同時擁有a的所有權，這個時候我們要用Rc<T>

Rc<T> Reference Counted 引用計數

Rc<T>是一個引用計數型別，它允許多個指標指向同一個值。當最後一個指標離開作用域時，值將被釋放。Rc<T>不是執行緒安全的，因此不能在多執行緒環境中使用。

Rc<T>通常用於以下情況：

• 當你希望在多個地方共享資料時，可以使用Rc<T>。解決了使用Box<T>共享資料時出現編譯錯誤
• 當你希望建立一個迴圈引用時，可以使用Rc<T>和Weak<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Rc<T>來共享資料：

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let data = Rc::new(vec![1, 2, 3]);
    let data1 = data.clone();
    let data2 = data.clone();
    println!("data: {:?}", data);
    println!("data1: {:?}", data1);
    println!("data2: {:?}", data2);
}
複製程式碼

這個例子中，我們使用Rc::new來建立一個新的Rc<T>例項。然後，我們使用clone方法來建立兩個新的指標，它們都指向同一個值。由於Rc<T>實現了引用計數，所以當最後一個指標離開作用域時，值將被釋放。

但是Rc<T>在多執行緒中容易引發執行緒安全問題，為了解決這個問題，又有了Arc<T>

Arc<T> Atomically Reference Counted 原子引用計數

Arc<T>是一個執行緒安全的引用計數型別，它允許多個指標在多個執行緒之間共享同一個值。當最後一個指標離開作用域時，值將被釋放。

Arc<T>通常用於以下情況：

• 當你希望在多個執行緒之間共享資料時，可以使用Arc<T>，是Rc<T>的多執行緒版本。
• 當你希望線上程之間傳遞資料時，可以使用Arc<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Arc<T>來線上程之間共享資料：

use std::sync::Arc;
use std::thread;

fn main() {
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);
    let data1 = data.clone();
    let data2 = data.clone();

    let handle1 = thread::spawn(move || {
        println!("data1: {:?}", data1);
    });

    let handle2 = thread::spawn(move || {
        println!("data2: {:?}", data2);
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}
複製程式碼

這個例子中，我們使用Arc::new來建立一個新的Arc<T>例項。然後，我們使用clone方法來建立兩個新的指標，它們都指向同一個值。接著，我們線上程中使用這些指標來訪問共享資料。由於Arc<T>實現了執行緒安全的引用計數，所以當最後一個指標離開作用域時，值將被釋放。

Weak<T> 弱引用型別

Weak<T>是一個弱引用型別，它可以與Rc<T>或Arc<T>一起使用來建立迴圈引用。Weak<T>不會增加引用計數，因此它不會阻止值被釋放。

當你希望建立一個迴圈引用時，可以使用Rc<T>或Arc<T>和Weak<T>來實現。

Weak<T>通常用於以下情況：

• 當你希望觀察一個值而不擁有它時，可以使用Weak<T>來實現。由於Weak<T>不會增加引用計數，所以它不會影響值的生命週期。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用Rc<T>和Weak<T>來建立一個迴圈引用：

use std::rc::{Rc, Weak};

struct Node {
    value: i32,
    next: Option<Rc<Node>>,
    prev: Option<Weak<Node>>,
}

fn main() {
    let first = Rc::new(Node { value: 1, next: None, prev: None });
    let second = Rc::new(Node { value: 2, next: None, prev: Some(Rc::downgrade(&first)) });
    first.next = Some(second.clone());
}
複製程式碼

這個例子中，我們定義了一個Node結構體，它包含一個值、一個指向下一個節點的指標和一個指向前一個節點的弱引用。然後，我們建立了兩個節點first和second，並使用Rc::downgrade方法來建立一個弱引用。最後，我們將兩個節點連線起來，形成一個迴圈引用。

需要注意的是，由於Weak<T>不會增加引用計數，所以它不會阻止值被釋放。當你需要訪問弱引用指向的值時，可以使用upgrade方法來獲取一個臨時的強引用。如果值已經被釋放，則upgrade方法會返回None。

UnsafeCell<T>

UnsafeCell<T>是一個底層的內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>和RefCell<T>不同，UnsafeCell<T>不提供任何執行時檢查來確保安全性。因此，使用UnsafeCell<T>可能會導致未定義行為。

由於UnsafeCell<T>是一個底層型別，它通常不直接用於應用程式程式碼。相反，它被用作其他內部可變性型別（如Cell<T>和RefCell<T>）的基礎。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用UnsafeCell<T>來修改內部值：

use std::cell::UnsafeCell;

fn main() {
    let x = UnsafeCell::new(1);
    let y = &x;
    let z = &x;
    unsafe {
        *x.get() = 2;
        *y.get() = 3;
        *z.get() = 4;
    }
    println!("x: {}", unsafe { *x.get() });
}
複製程式碼

這個例子中，我們使用UnsafeCell::new來建立一個新的UnsafeCell<T>例項。然後，我們建立了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，在一個unsafe塊中，我們使用get方法來獲取一個裸指標，並使用它來修改內部值。由於UnsafeCell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由於UnsafeCell<T>不提供任何執行時檢查來確保安全性，所以使用它可能會導致未定義行為。因此，在大多數情況下，你應該使用其他內部可變性型別（如Cell<T>和RefCell<T>），而不是直接使用UnsafeCell<T>。

Cell<T>

Cell<T>是一個內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。Cell<T>只能用於Copy型別，因為它透過複製值來實現內部可變性。

Cell<T>通常用於以下情況：

• 當你需要在不可變引用的情況下修改內部值時，可以使用Cell<T>來實現內部可變性。
• 當你需要在結構體中包含一個可變欄位時，可以使用Cell<T>來實現。 下面是一個簡單的例子，演示如何使用Cell<T>來修改內部值：

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let x = Cell::new(1);
    let y = &x;
    let z = &x;
    x.set(2);
    y.set(3);
    z.set(4);
    println!("x: {}", x.get());
}
複製程式碼

這個例子中，我們使用Cell::new來建立一個新的Cell<T>例項。然後，我們建立了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，我們使用set方法來修改內部值。由於Cell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由於Cell<T>透過複製值來實現內部可變性，所以它只能用於Copy型別。如果你需要在不可變引用的情況下修改非Copy型別的值，可以考慮使用RefCell<T>。

RefCell<T>

RefCell<T>是一個內部可變性型別，它允許你在不可變引用的情況下修改內部值。與Cell<T>不同，RefCell<T>可以用於非Copy型別。

RefCell<T>透過借用檢查來確保執行時的安全性。當你嘗試獲取一個可變引用時，RefCell<T>會檢查是否已經有其他可變引用或不可變引用。如果有，則會發生執行時錯誤。

RefCell<T>通常用於以下情況：

• 當你需要在不可變引用的情況下修改內部值時，可以使用RefCell<T>來實現內部可變性。

• 當你需要在結構體中包含一個可變欄位時，可以使用RefCell<T>來實現。

下面是一個簡單的例子，演示如何使用RefCell<T>來修改內部值：

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let x = RefCell::new(vec![1, 2, 3]);
    let y = &x;
    let z = &x;
    x.borrow_mut().push(4);
    y.borrow_mut().push(5);
    z.borrow_mut().push(6);
    println!("x: {:?}", x.borrow());
}
複製程式碼

這個例子中，我們使用RefCell::new來建立一個新的RefCell<T>例項。然後，我們建立了兩個不可變引用y和z，它們都指向同一個值。接著，我們使用borrow_mut方法來獲取一個可變引用，並使用它來修改內部值。由於RefCell<T>實現了內部可變性，所以我們可以在不可變引用的情況下修改內部值。

需要注意的是，由於RefCell<T>透過借用檢查來確保執行時的安全性，所以當你嘗試獲取一個可變引用時，如果已經有其他可變引用或不可變引用，則會發生執行時錯誤。from劉金，轉載請註明原文連結。感謝！