15｜数据结构：这些浓眉大眼的结构竟然都是智能指针？

陈天



该思维导图由 AI 生成，仅供参考

你好，我是陈天。
到现在为止我们学了 Rust 的所有权与生命周期、内存管理以及类型系统，基础知识里还剩一块版图没有涉及：数据结构，数据结构里最容易让人困惑的就是智能指针，所以今天我们就来解决这个难点。
我们之前简单介绍过指针，这里还是先回顾一下：指针是一个持有内存地址的值，可以通过解引用来访问它指向的内存地址，理论上可以解引用到任意数据类型；引用是一个特殊的指针，它的解引用访问是受限的，只能解引用到它引用数据的类型，不能用作它用。
那什么是智能指针呢？
智能指针在指针和引用的基础上，Rust 偷师 C++，提供了智能指针。智能指针是一个表现行为很像指针的数据结构，但除了指向数据的指针外，它还有元数据以提供额外的处理能力。
这个定义有点模糊，我们对比其他的数据结构来明确一下。
你有没有觉得很像之前讲的胖指针。智能指针一定是一个胖指针，但胖指针不一定是一个智能指针。比如 &str 就只是一个胖指针，它有指向堆内存字符串的指针，同时还有关于字符串长度的元数据。
我们看智能指针 String 和 &str 的区别：
从图上可以看到，String 除了多一个 capacity 字段，似乎也没有什么特殊。但 String 对堆上的值有所有权，而 &str 是没有所有权的，这是 Rust 中智能指针和普通胖指针的区别。

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Rust语言的智能指针类型和内存管理是该文章的重点。文章深入探讨了Box<T>、Rc<T>和Arc<T>等智能指针的实现方式和应用场景，特别关注了在堆上创建内存的Box<T>、提供写时克隆的Cow<'a, B>，以及用于数据加锁的MutexGuard<T>。读者通过学习本文，不仅能更好地理解智能指针的概念和原理，还能在实际应用中构建自己的智能指针来解决问题。此外，文章还介绍了如何实现自定义的智能指针，以及内存分配器的实现和内存分配释放的注意事项。对于对Rust语言和内存管理感兴趣的读者来说，本文内容丰富，值得一读。

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GengTeng
1. impl From<String> for MyString { fn from(s: String) -> Self { if s.len() > MINI_STRING_MAX_LEN { Self::Standard(s) } else { Self::Inline(MiniString::new(s)) } } } 2. impl MyString { fn push_str(&mut self, string: &str) { match self { MyString::Inline(m) => { let l = m.len(); let len = l + string.len(); if len > MINI_STRING_MAX_LEN { *self = Self::Standard(m.to_string() + string); } else { m.data[l..].copy_from_slice(string.as_bytes()); m.len = len as u8; } } MyString::Standard(s) => s.push_str(string), } } } 3. 32 32 Cow<'a, B> 要求 B 实现 ToOwned，其Owned变体的数据为对应的 Owned 类型，即 [T] 对应的是 Vec<T>， str 对应的是 String，这两个的大小都是24字节，加上枚举占用的一字节以及8字节对齐，就是32字节。
作者回复: 非常棒！第 1 题还可以用泛型参数进一步统一 String/&str，DRY： ```Rust impl<T> From<T> for MyString where T: AsRef<str> + Into<String>, { fn from(s: T) -> Self { match s.as_ref().len() > MINI_STRING_MAX_LEN { true => Self::Standard(s.into()), _ => Self::Inline(MiniString::new(s)), } } } ```
2021-09-27
4
17
Lucas
跟不上了看不懂了😭
作者回复: 加油！对暂时理解不了的地方，可以先跳过，之后再回来阅读
2021-10-11
5
7
记事本
Owned(<B as ToOwned>::Owned) 泛型B转换特征名称是个什么样的语法，老师
作者回复: as 是 Rust 的关键字，用于做类型转换，比如： let i = 1; // i32 let u = i as usize; // usize 这里 B 有约束是 B: ToOwned，所以 B as ToOwned 是成立的，相当于把 B 转换成 ToOwned，然后因为 ToOwned 带有关联类型，所以强制转换成 ToOwend 后，引用它的关联类型 Owned。
2021-09-27
2
5
记事本
String在堆上分配内存,String是栈上的一个结构体,假如Box::new(String),是不是String结构体也在堆上了
作者回复: 对的。
2021-10-16

3
沈畅
课程学到这，最大的问题感觉不成体系，每篇文章像是博客专题文章。但是章节之间没有体系，作为第一课感觉有些不妥。
编辑回复: 恩简单说明一下前面的课程设计思路： -前置篇是编程相关的最基本概念 -基础篇是开始接触Rust，语法介绍了1讲，然后插入了get hands dirty 项目从写代码中直观感受Rust语法特性，然后就讲几个Rust的学习重难点了：所有权、生命周期、函数式编程特性、类型系统、泛型编程、错误处理等作为“第一课”，语法讲的不是很多确实不够友好，一是课程篇幅有限，二是Rust的官方文档做的非常好，另外也有老师个人倾向觉得语法详细讲没有太大必要，毕竟再怎么样讲，也得学习者自己敲代码上手慢慢熟悉风格。所以可能没有给你非常好的学习体验，表示抱歉。你可以配合官方的Rust book一起使用，另外加餐中老师和几个同学也分享了自己的学习资料，祝学习愉快～
2022-07-21
2
2
核桃
关于所有权和智能指针的理解，可以看看这篇文章 https://zhuanlan.zhihu.com/p/54078587 这些概念在c++里面都是有的，因此从c++的角度去理解一下智能指针与普通指针区别，什么是移动语义，那样返回来看rust的概念，就明白清晰很多了。
作者回复: 👍
2021-12-05

2
Ryan
这样实现出来的MyString如果传递给另一个线程，内部栈上的内存可能被释放了。这方面与标准String的区别是如何体现并加以保证的呢？
作者回复: 在线程间传递栈上的有所有权的数据会 move，所以不会有问题。
2021-10-30

2
Mr_李冲
文中Cow部分示例段Url::parse有个bug，url左右两边各有个尖括号，需要去掉，否则会解析url失败，unwrap后导致程序崩溃。更正后是下面这个： let url = Url::parse("https://tyr.com/rust?page=1024&sort=desc&extra=hello%20world").unwrap();
作者回复: 多谢指正！估计是代码粘到文档中的问题，我让编辑修改了。github 上的代码是正确的。
2021-12-26

1
yg
陈老师您好，用rust编写内核模块的话，哪里有资料可以参考么
作者回复: 可以参考：https://github.com/Rust-for-Linux/linux/tree/rust/Documentation/rust
2021-11-30

1
Ryan
我感觉这课程得至少刷3遍才能看懂，已经跟不上了。。。
作者回复: 慢慢来，别急
2021-11-07

1

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