Rust语言中级教程
一、指针
什么是指针
- 指针是计算机引用无法立即直接访问的数据的一种方式（类比 书的目录）
- 数据在物理内存（RAM）中是分散的存储着
- 地址空间是检索系统
- 指针就被编码为内存地址，使用 usize 类型的整数表示。
- 一个地址就会指向地址空间中的某个地方
- 地址空间的范围是 OS 和 CPU 提供的外观界面
- 程序只知道有序的字节序列，不会考虑系统中实际 RAM 的数量
名词解释
- 内存地址（地址），就是指代内存中单个字节的一个数
- 内存地址是汇编语言提供的抽象
- 指针（有时扩展称为原始指针），就是指向某种类型的一个内存地址
- 指针是高级语言提供的抽象
- 引用，就是指针。如果是动态大小的类型，就是指针和具有额外保证的一个整数
- 引用是 Rust 提供的抽象
Rust 的引用
- 引用始终引用的是有效数据
- 引用与 usize 的倍数对齐
- 引用可以为动态大小的类型提供上述保障
Rust 的引用 和 指针
static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
let a = 42;
let b = &B;
let c = &C;
println!("a: {}, b: {:p}, c: {:p}", a, b, c);
}
运行文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-434221.html
point_demo on master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 via 🅒 base
➜ cargo run
Compiling point_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/point_demo)
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.44s
Running `target/debug/point_demo`
a: 42, b: 0x1023dc660, c: 0x1023dc66a
point_demo on master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 via 🅒 base
➜
- 一个更加逼真的例子
- 使用更复杂的类型展示指针内部的区别
use std::mem::size_of;
static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
// let a = 42;
// let b = &B;
// let c = &C;
// println!("a: {}, b: {:p}, c: {:p}", a, b, c);
let a: usize = 42;
let b: Box<[u8]> = Box::new(B);
let c: &[u8; 11] = &C;
println!("a (unsigned 整数):");
println!(" 地址: {:p}", &a);
println!(" 大小: {:?} bytes", size_of::<usize>());
println!(" 值: {:?}\n", a);
println!("b (B 装在 Box 里):");
println!(" 地址: {:p}", &b);
println!(" 大小: {:?} bytes", size_of::<Box<[u8]>>());
println!(" 指向: {:p}\n", b);
println!("c (C 的引用):");
println!(" 地址: {:p}", &c);
println!(" 大小: {:?} bytes", size_of::<&[u8; 11]>());
println!(" 指向: {:p}\n", c);
println!("B (10 bytes 的数组):");
println!(" 地址: {:p}", &B);
println!(" 大小: {:?} bytes", size_of::<[u8; 10]>());
println!(" 值: {:?}\n", B);
println!("C (11 bytes 的数字):");
println!(" 地址: {:p}", &C);
println!(" 大小: {:?} bytes", size_of::<[u8; 11]>());
println!(" 值: {:?}\n", C);
}
运行文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-434221.html
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➜ cargo run
Compiling point_demo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/point_demo)
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.19s
Running `target/debug/point_demo`
a (unsigned 整数):
地址: 0x16dda9a08
大小: 8 bytes
值: 42
b (B 装在 Box 里):
地址: 0x16dda9a10
大小: 16 bytes
指向: 0x12b606ba0
c (C 的引用):
地址: 0x16dda9a30
大小: 8 bytes
指向: 0x10208d7ba
B (10 bytes 的数组):
地址: 0x10208d7b0
大小: 10 bytes
值: [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108]
C (11 bytes 的数字):
地址: 0x10208d7ba
大小: 11 bytes
值: [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0]
point_demo on master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 via 🅒 base
➜
- 对 B 和 C 中文本进行解码的例子
- 它创建了一个与前图更加相似的内存地址布局
use std::borrow::Cow;
use std::ffi::CStr;
use std::os::raw::c_char;
static B: [u8; 10] = [99, 97, 114, 114, 121, 116, 111, 119, 101, 108];
static C: [u8; 11] = [116, 104, 97, 110, 107, 115, 102, 105, 115, 104, 0];
fn main() {
let a = 42;
let b: String;
let c: Cow<str>;
unsafe {
let b_ptr = &B as * const u8 as *mut u8;
b = String::from_raw_parts(b_ptr, 10, 10);
let c_ptr = &C as *const u8 as *const c_char;
c = CStr::from_ptr(c_ptr).to_string_lossy();
}
println!("a: {}, b: {}, c: {}", a, b, c);
}
Raw Pointers（原始指针）
- Raw Pointer （原始指针）是没有 Rust 标准保障的内存地址。
- 这些本质上是 unsafe 的
- 语法：
- 不可变 Raw Pointer：*const T
- 可变的 Raw Pointer：*mut T
- 注意：*const T，这三个标记放在一起表示的是一个类型
- 例子：*const String
- *const T 与 *mut T 之间的差异很小，相互可以自由转换
- Rust 的引用（&mut T 和 &T）会编译为原始指针
- 这意味着无需冒险进入 unsafe 块，就可以获得原始指针的性能
- 例子：把引用转为原始指针
fn main() {
let a: i64 = 42;
let a_ptr = &a as *const i64;
println!("a: {} ({:p})", a, a_ptr);
}
- 解引用（dereference）：通过指针从 RAM 内存提取数据的过程叫做对指针进行解引用（dereferencing a pointer）
- 例子：把引用转为原始指针
fn main() {
let a: i64 = 42;
let a_ptr = &a as *const i64;
let a_addr: usize = unsafe {std::mem::transmute(a_ptr)};
println!("a: {} ({:p}...0x{:x})", a, a_ptr, a_addr + 7);
}
关于 Raw Pointer 的提醒
- 在底层，引用（&T 和 &mutT）被实现为原始指针。但引用带有额外的保障，应该始终作为首选使用
- 访问 Raw Pointer 的值总是 unsafe 的
- Raw Pointer 不拥有值的所有权
- 在访问时编译器不会检查数据的合法性
- 允许多个 Raw Pointer 指向同一数据
- Rust 无法保证共享数据的合法性
使用 Raw Pointer 的情况
- 不可避免
- 某些 OS 或 第三方库需要使用，例如与C交互
- 共享对某些内容的访问至关重要，运行时性能要求高
Rust 指针生态
- Raw Pointer 是 unsafe 的
- Smart Pointer（智能指针）倾向于包装原始指针，附加更多的能力
- 不仅仅是对内存地址解引用
Rust 智能指针
| 名称 | 简介 | 强项 | 弱项 |
|---|---|---|---|
| Raw Pointer | *mut T 和 *const T，自由基，闪电般块，极其 Unsafe | 速度、与外界交互 | Unsafe |
Box<T> |
可把任何东西都放在Box里。可接受几乎任何类型的长期存储。新的安全编程时代的主力军。 | 将值集中存储在 Heap | 大小增加 |
Rc<T> |
是Rust的能干而吝啬的簿记员。它知道谁借了什么，何时借了什么 | 对值的共享访问 | 大小增加；运行时成本；线程不安全 |
Arc<T> |
是Rust的大使。它可以跨线程共享值，保证这些值不会相互干扰 | 对值的共享访问；线程安全 | 大小增加；运行时成本 |
Cell<T> |
变态专家，具有改变不可变值的能力 | 内部可变性 | 大小增加；性能 |
RefCell<T> |
对不可变引用执行改变，但有代价 | 内部可变性；可与仅接受不可变引用的Rc、Arc嵌套使用 | 大小增加；运行时成本；缺乏编译时保障 |
Cow<T> |
封闭并提供对借用数据的不可变访问，并在需要修改或所有权时延迟克隆数据 | 当只是只读访问时避免写入 | 大小可能会增大 |
| String | 可处理可变长度的文本，展示了如何构建安全的抽象 | 动态按需增长；在运行时保证正确编码 | 过度分配内存大小 |
Vec<T> |
程序最常用的存储系统；它在创建和销毁值时保持数据有序 | 动态按需增长 | 过度分配内存大小 |
RawVec<T> |
是Vec<T>和其它动态大小类型的基石；知道如何按需给你的数据提供一个家 |
动态按需增长；与内存分配器一起配合寻找空间 | 不直接适用于您的代码 |
Unique<T> |
作为值的唯一所有者，可保证拥有完全控制权 | 需要独占值的类型（如 String）的基础 | 不适合直接用于应用程序代码 |
Shared<T> |
分享所有权很难，但他使生活更轻松 | 共享所有权；可以将内存与T的宽度对齐，即使是空的时候 | 不适合直接用于应用程序代码 |
到了这里，关于Rust语言中级教程之指针的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
