“解引用”(Deref)是“取引用”(Ref)的反操作。取引用,我们有&、&mut等操作符,对应的,解引用,我们有操作符,跟C语言是一样的。示例如下:
比如说,我们有引用类型p:&i32;,那么可以用符号执行解引用操作。上例中,v1的类型是i32,p的类型是&i32,*p的类型又返回i32。
自定义解引用
解引用操作可以被自定义。方法是,实现标准库中的std::ops::Deref或者std::ops::DerefMut这两个trait。
Deref的定义如下所示。DerefMut的唯一区别是返回的是&mut型引用都是类似的,因此不过多介绍了。
这个trait有一个关联类型Target,代表解引用之后的目标类型。比如,标准库中实现了String向str的解引用转换:
deref()方法返回的类型是&Target,而不是Target。
如果说有变量s的类型为string,*s的类型并不等于s.deref()的类型。
*s的类型实际上是Target,即str。&*s的类型才是&str。
s.deref()的类型为&Target,即&str。
比如我们可以这样理解这几个类型:
- Box是“指针”,指向一个在堆上分配的对象;
- Vec是“指针”,指向一组同类型的顺序排列的堆上分配的对象,且携带有当前缓存空间总大小和元素个数大小的元数据;
- string是“指针”,指向的是一个堆上分配的字节数组,其中保存的内容是合法的utf8字符序列。且携带有当前缓存空间总大小和字符串实际长度的元数据。
以上几个类型都对所指向的内容拥有所有权,管理着它们所指向的内存空间的分配和释放。 - Rc和Arc也是某种形式的、携带了额外元数据的“指针”,它们提供的是一种“共享”的所有权,当所有的引用计数指针都销毁之后,它们所指向的内存空间才会被释放。
自动解引用
Rust提供的“自动解引用”机制,是在某些场景下“隐式地”“自动地”帮我们做了一些事情。什么是自动解引用呢?下面用一个示例来说明:
编译,成功。查文档我们可以知道,len()这个方法的签名是:
fn len(&self)->usize
它接受的receiver参数是&str,因此我们可以用UFCS语法调用:
println!("length:{}",str::len(&s));
但是,如果我们使用&&&&&&&&&&str类型来调用成员方法,也是可以的。原因就是,Rust编译器帮我们做了隐式的deref调用,当它找不到这个成员方法的时候,会自动尝试使用deref方法后再找该方法,一直循环下去。
编译器在&&&str类型里面找不到len方法;尝试将它deref,变成&&str类型后再寻找len方法,还是没找到;继续deref,变成&str,现在找到len方法了,于是就调用这个方法。
自动deref的规则是,如果类型T可以解引用为U,即T:Deref,则&T可以转为&U:
自动解引用的用处
用Rc这个“智能指针”举例。Rc实现了Deref:
它的Target类型是它的泛型参数T。这么设计有什么好处呢?我们看下面的用法:
我们创建了一个指向string类型的Rc指针,并调用了bytes()方法。这里是不是有点奇怪?
这里的机制是这样的:Rc类型本身并没有bytes()方法,所以编译器会尝试自动deref,试试s.deref().bytes()。
String类型其实也没有bytes()方法,但是string可以继续deref,于是再试试s.deref().deref().bytes()。
这次在str类型中找到了bytes()方法,于是编译通过。
我们实际上通过Rc类型的变量调用了str类型的方法,让这个智能指针透明。这就是自动Deref的意义。
实际上以下写法在编译器看起来是一样的:
这就是为什么String需要实现Deref trait,是为了让&string类型的变量可以在必要的时候自动转换为&str类型。所以string类型的变量可以直接调用str类型的方法。
比如:
let s =String::from("hello");
let len =s.bytes();
虽然s的类型是string,但它在调用bytes()方法的时候,编译器会自动查找并转换为s.deref().bytes()调用。
所以String类型的变量就可以直接调用str类型的方法了。
同理:Vec类型也实现了Deref trait,目标类型是[T],&Vec类型的变量就可以在必要的时候自动转换为&[T]数组切片类型;Rc类型也实现了Deref trait,目标类型是T,Rc类型的变量就可以直接调用T类型的方法。
&*两个操作符连写跟分开写是不同的含义。以下两种写法是不同的:
fn joint()是可以直接编译通过的,而fn separate()是不能编译通过的。
因为编译器很聪明,它看到&*这两个操作连在一起的时候,会直接把&*s表达式理解为s.deref(),这时候p只是s的一个借用而已。
而如果把这两个操作分开写,会先执行*s把内部的数据move出来,再对这个临时变量取引用,这时候s已经被移走了,生命周期已经结束。
同样的,let p=&{*s};这种写法也编译不过。
这个花括号的存在创建了一个临时的代码块,在这个临时代码块内部先执行解引用,同样是move语义。
从这里我们也可以看到,默认的“取引用”、“解引用”操作是互补抵消的关系,互为逆运算。但是,在Rust中,只允许自定义“解引用”,不允许自定义“取引用”。
如果类型有自定义“解引用”,那么对它执行“解引用”和“取引用”就不再是互补抵消的结果了。先&后以及先后&的结果是不同的。
有时候需要手动处理
如果智能指针中的方法与它内部成员的方法冲突了怎么办呢?编译器会优先调用当前最匹配的类型,而不会执行自动deref,在这种情况下,我们就只能手动deref来表达我们的需求了。
比如说,Rc类型和String类型都有clone方法,但是它们执行的任务不同。
Rc::clone()做的是把引用计数指针复制一份,把引用计数加1。String::clone()做的是把字符串深复制一份。示例如下:
智能指针
Rust语言提供了所有权、默认move语义、借用、生命周期、内部可变性等基础概念。但这些并不是Rust全部的内存管理方式,在这些概念的基础上,我们还能继续抽象、封装更多的内存管理方式,而且保证内存安全。
引用计数
到目前为止,我们接触到的示例中都是一块内存总是只有唯一的一个所有者。
当这个变量绑定自身消亡的时候,这块内存就会被释放。
引用计数智能指针给我们提供了另外一种选择:一块不可变内存可以有多个所有者,当所有的所有者消亡后,这块内存才会被释放。
Rust中提供的引用计数指针有std::rc::Rc类型和std::sync::Arc类型。Rc类型和Arc类型的主要区别是:Rc类型的引用计数是普通整数操作,只能用在单线程中;Arc类型的引用计数是原子操作,可以用在多线程中。
这一点是通过编译器静态检查保证的。
首先我们用示例展示Rc智能指针的用法:
编译运行,结果显示:
$./testvalue :4242address :0x13958abdf200x13958abdf20
这说明,owner1 owner2里面包含的数据不仅值是相同的,而且地址也是相同的。
这正是Rc的意义所在。
从示例中可以看到,Rc指针的创建是调用Rc::new静态函数,与Box类型一致(将来会允许使用box关键字创建)。如果要创建指向同样内存区域的多个Rc指针,需要显式调用clone函数。
请注意,Rc指针是没有实现Copy trait的。
如果使用直接赋值方式,会执行move语义,导致前一个指针失效,后一个指针开始起作用,而且引用计数值不变。
如果需要创造新的Rc指针,必须手工调用clone()函数,此时引用计数值才会加1。
当某个Rc指针失效,会导致引用计数值减1。当引用计数值减到0的时候,共享内存空间才会被释放。
这没有违反我们前面讲的“内存安全”原则,它内部包含的数据是“不可变的”,每个Rc指针对它指向的内部数据只有读功能,和共享引用&一致,因此,它是安全的。
区别在于,共享引用对数据完全没有所有权,不负责内存的释放,Rc指针会在引用计数值减到0的时候释放内存。
Rust里面的Rc类型类似于C++里面的shared_ptr类型,且强制不可为空。
从示例中我们还可以看到,使用Rc访问被包含的内部成员时,可以直接使用小数点语法来进行,与T &T Box类型的使用方法一样。
原因我们在前面已经讲过了,这是因为编译器帮我们做了自动解引用。我们查一下Rc的源码就可以知道:
可见,Rc类型重载了“解引用”运算符,而且恰好Target类型指定的是T。
这就意味着编译器可以将Rc类型在必要的时候自动转换为&T类型,于是它就可以访问T的成员变量,调用T的成员方法了。因此,它可以被归类为“智能指针”。
下面我们继续分析Rc类型的实现原理。它的源代码在src/liballoc/rc.rs中,Rc类型的定义如下所示:
其中RcBox是这样定义的:
其中Shared类型我们暂时可以不用管它,当它是一个普通指针就好。
同时,它实现了Clone和Drop这两个trait。在clone方法中,它没有对它内部的数据实行深复制,而是将强引用计数值加1,如下所示:
在drop方法中,也没有直接把内部数据释放掉,而是将强引用计数值减1,当强引用计数值减到0的时候,才会析构掉共享的那块数据。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-804823.html
当弱引用计数值也减为0的时候,才说明没有任何Rc/Weak指针指向这块内存,它占用的内存才会被彻底释放。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-804823.html
到了这里,关于Rust-解引用的文章就介绍完了。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!