Rust 智能指针的使用详解

一、Rust 智能指针详解

智能指针是Rust中管理内存和所有权的核心工具，通过封装指针并添加元数据（如引用计数）来实现安全的内存管理。以下是主要类型及其原理、使用场景和示例：

1、Box<T>：堆内存分配

• 原理：在堆上分配内存，栈中存储指向堆的指针。所有权唯一，离开作用域时自动释放内存。
• 使用场景：
  • 编译时未知大小的类型（如递归类型）
  • 转移大数据所有权避免拷贝
  • 特质对象（Trait Object）的动态分发
• 示例：

  fn main() {
      let b = Box::new(5); // 在堆上存储整数5
      println!("b = {}", b); // 输出: b = 5
  } // 离开作用域，堆内存自动释放
  

2、Rc<T>：引用计数指针

• 原理：通过引用计数跟踪值的所有者数量。当计数归零时自动释放内存。仅适用于单线程。
• 使用场景：多个部分只读共享数据（如图结构、共享配置）。
• 示例：

  use std::rc::Rc;
  fn main() {
      let a = Rc::new(10);
      let b = Rc::clone(&a); // 引用计数+1
      println!("Count: {}", Rc::strong_count(&a)); // 输出: Count: 2
  } // 离开作用域，计数归零，内存释放
  

3、RefCell<T>：内部可变性

• 原理：在运行时检查借用规则（而非编译时），允许通过不可变引用修改内部数据。使用borrow()和borrow_mut()访问。
• 使用场景：需要修改只读共享数据时（如缓存更新）。
• 示例：

  use std::cell::RefCell;
  fn main() {
      let c = RefCell::new(42);
      *c.borrow_mut() += 1; // 运行时借用检查
      println!("c = {}", c.borrow()); // 输出: c = 43
  }
  

4、Arc<T>：原子引用计数

• 原理：类似Rc<T>，但使用原子操作保证线程安全。性能略低于Rc。
• 使用场景：多线程共享数据（需配合Mutex）。
• 示例：

  use std::sync::Arc;
  use std::thread;
  fn main() {
      let val = Arc::new(100);
      let handle = thread::spawn(move || {
          println!("Thread: {}", val); // 安全共享
      });
      handle.join().unwrap();
  }
  

5、Mutex<T>与RwLock<T>：线程同步

• Mutex<T>：互斥锁，一次仅允许一个线程访问数据。

  use std::sync::{Arc, Mutex};
  use std::thread;
  fn main() {
      let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
      let mut handles = vec![];
      for _ in 0..10 {
          let c = Arc::clone(&counter);
          let handle = thread::spawn(move || {
              let mut num = c.lock().unwrap();
              *num += 1; // 修改受保护数据
          });
          handles.push(handle);
      }
      for handle in handles { handle.join().unwrap(); }
      println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap()); // 输出: Result: 10
  }
  

• RwLock<T>：读写锁，允许多个读取或单个写入。

  use std::sync::RwLock;
  let lock = RwLock::new(5);
  {
      let r1 = lock.read().unwrap(); // 多个读取并发
      let r2 = lock.read().unwrap();
  }
  {
      let mut w = lock.write().unwrap(); // 独占写入
      *w += 1;
  }
  

6、Weak<T>：解决循环引用

• 原理：Weak 是 Rc 的非拥有智能指针，它不增加引用计数。
• 使用场景：用于解决循环引用问题
• 示例：

  use std::rc::{Rc, Weak};
  use std::cell::RefCell;
  
  // 定义节点结构
  struct Node {
      value: i32,
      parent: RefCell<Weak<Node>>, // 使用 Weak 避免循环引用
      children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>, // 子节点使用 Rc
  }
  
  fn main() {
      // 创建叶子节点
      let leaf = Rc::new(Node {
          value: 3,
          parent: RefCell::new(Weak::new()),
          children: RefCell::new(vec![]),
      });
  
      // 创建分支节点，并设置 leaf 为其子节点
      let branch = Rc::new(Node {
          value: 5,
          parent: RefCell::new(Weak::new()),
          children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
      });
  
      // 设置 leaf 的父节点为 branch（使用 downgrade 创建弱引用）
      *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
  
      // 尝试升级 leaf 的父节点
      if let Some(parent) = leaf.parent.borrow().upgrade() {
          println!("Leaf 的父节点值: {}", parent.value); // 输出: Leaf 的父节点值: 5
      } else {
          println!("父节点已被释放");
      }
  
      // 当 branch 被丢弃时，leaf 的 parent 升级会失败
  }
  
  

7、组合模式

• Rc<RefCell<T>>：单线程内共享可变数据。

  let shared_data = Rc::new(RefCell::new(vec![1, 2]));
  shared_data.borrow_mut().push(3); // 修改共享数据
  

• Arc<Mutex<T>>：多线程共享可变数据（最常见组合）。

  let data = Arc::new(Mutex::new(0));
  // 多线程修改数据（见上文Mutex示例）
  

8、对比总结

二、Rust 智能指针示例

以下是一个复杂的 Rust 智能指针示例，结合了 Rc、RefCell 和自定义智能指针，模拟图形渲染场景中的资源管理：

use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;
use std::ops::Deref;

// 自定义智能指针：带引用计数的纹理资源
struct Texture {
    id: u32,
    data: Vec<u8>,
}

impl Texture {
    fn new(id: u32, size: usize) -> Self {
        Texture {
            id,
            data: vec![0; size],
        }
    }
}

// 自定义智能指针：TextureHandle
struct TextureHandle(Rc<Texture>);

impl TextureHandle {
    fn new(texture: Texture) -> Self {
        TextureHandle(Rc::new(texture))
    }
    
    fn get_id(&self) -> u32 {
        self.0.id
    }
}

impl Deref for TextureHandle {
    type Target = Texture;
    
    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.0
    }
}

// 场景节点：支持父子关系
struct SceneNode {
    name: String,
    texture: Option<TextureHandle>,
    children: RefCell<Vec<Rc<RefCell<SceneNode>>>>,
    parent: RefCell<Weak<RefCell<SceneNode>>>,
}

impl SceneNode {
    fn new(name: &str) -> Rc<RefCell<Self>> {
        Rc::new(RefCell::new(SceneNode {
            name: name.to_string(),
            texture: None,
            children: RefCell::new(Vec::new()),
            parent: RefCell::new(Weak::new()),
        }))
    }
    
    fn add_child(parent: &Rc<RefCell<SceneNode>>, child: &Rc<RefCell<SceneNode>>) {
        child.borrow_mut().parent.replace(Rc::downgrade(parent));
        parent.borrow_mut().children.borrow_mut().push(Rc::clone(child));
    }
    
    fn set_texture(&mut self, texture: TextureHandle) {
        self.texture = Some(texture);
    }
    
    fn print_tree(&self, depth: usize) {
        let indent = "  ".repeat(depth);
        println!("{}{}", indent, self.name);
        if let Some(tex) = &self.texture {
            println!("{}Texture ID: {}", indent, tex.get_id());
        }
        for child in self.children.borrow().iter() {
            child.borrow().print_tree(depth + 1);
        }
    }
}

fn main() {
    // 创建共享纹理资源
    let shared_texture = TextureHandle::new(Texture::new(101, 1024));
    
    // 创建场景节点
    let root = SceneNode::new("Root");
    let camera = SceneNode::new("Camera");
    let mesh1 = SceneNode::new("Mesh1");
    let mesh2 = SceneNode::new("Mesh2");
    
    // 设置纹理
    {
        let mut root_mut = root.borrow_mut();
        root_mut.set_texture(shared_texture);
    }
    
    // 构建场景层级
    SceneNode::add_child(&root, &camera);
    SceneNode::add_child(&root, &mesh1);
    SceneNode::add_child(&mesh1, &mesh2);
    
    // 打印场景树
    root.borrow().print_tree(0);
    
    // 验证引用计数
    println!("\nReference counts:");
    println!("Root strong: {}", Rc::strong_count(&root));
    println!("Root weak: {}", Rc::weak_count(&root));
}

示例解析：

1. 自定义智能指针 TextureHandle

   • 包装 Rc<Texture> 实现资源共享
   • 实现 Deref 获得透明访问
   • 提供资源 ID 访问方法

2. 场景图管理 SceneNode

   • 使用 Rc<RefCell<SceneNode>> 实现共享所有权和内部可变性
   • 子节点列表：RefCell<Vec<Rc<...>>> 实现运行时可变借用
   • 父节点：RefCell<Weak<...>> 避免循环引用

3. 资源共享机制

   • 纹理资源通过 TextureHandle 共享
   • 节点树通过 Rc 共享所有权
   • 使用 Weak 引用打破循环依赖

4. 输出示例：

Root
Texture ID: 101
  Camera
  Mesh1
    Mesh2

Reference counts:
Root strong: 1
Root weak: 2
PS G:\Learning\Rust\ttt> 

关键特性：

1. 内存安全：自动管理资源释放
2. 内部可变性：通过 RefCell 修改不可变引用
3. 循环引用防护：Weak 指针避免内存泄漏
4. 透明访问：通过 Deref 实现直接访问
5. 运行时借用检查：RefCell 在运行时验证借用规则

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