Rust语言中级教程之指针

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

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

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➜ 

• 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

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 0.19s
     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]

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➜ 

• 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

到此这篇关于Rust语言中级教程之指针的文章就介绍到这了,更多相关Rust指针内容请搜索脚本之家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脚本之家！

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