From 54ed194eca5fb92fa0b00ba1a92747c049dcb1f1 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: sunface Date: Mon, 3 Jan 2022 16:06:34 +0800 Subject: [PATCH] add Deref --- course-book/contents/SUMMARY.md | 2 +- .../advance/smart-pointer/deref-drop.md | 1 - .../contents/advance/smart-pointer/deref.md | 297 ++++++++++++++++++ 3 files changed, 298 insertions(+), 2 deletions(-) delete mode 100644 course-book/contents/advance/smart-pointer/deref-drop.md create mode 100644 course-book/contents/advance/smart-pointer/deref.md diff --git a/course-book/contents/SUMMARY.md b/course-book/contents/SUMMARY.md index 132974db..b0c18399 100644 --- a/course-book/contents/SUMMARY.md +++ b/course-book/contents/SUMMARY.md @@ -66,7 +66,7 @@ - [格式化输出](advance/formatted-output.md) - [智能指针 doing](advance/smart-pointer/intro.md) - [Box堆对象分配](advance/smart-pointer/box.md) - - [Deref和Drop特征(todo)](advance/smart-pointer/deref-drop.md) + - [Deref解引用](advance/smart-pointer/deref.md) - [Cell todo](advance/smart-pointer/cell.md) - [Rc与RefCell(todo)](advance/smart-pointer/rc-refcell.md) - [自引用与内存泄漏(todo)](advance/smart-pointer/self-referrence.md) diff --git a/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref-drop.md b/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref-drop.md deleted file mode 100644 index f818d9ce..00000000 --- a/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref-drop.md +++ /dev/null @@ -1 +0,0 @@ -# Deref和Drop特征(todo) diff --git a/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref.md b/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref.md new file mode 100644 index 00000000..9ac9f9b8 --- /dev/null +++ b/course-book/contents/advance/smart-pointer/deref.md @@ -0,0 +1,297 @@ +# Deref解引用 +智能指针的名称来源，主要就在于它实现了`Deref`和`Drop`特征，这两个特征可以智能地帮助我们节省使用上的负担: + +- `Deref`可以让智能指针像引用那样工作，这样你就就可以写出同时支持智能指针和引用的代码, 例如`&T` +- `Drop`允许你指定智能指针超出作用域后自动执行的代码，例如做一些数据清除等收尾工作 + +下面先来看看`Deref`特征是如何工作的。 + +## 通过`*`获取引用背后的值 +在正式讲解`Deref`之前，我们先来看下常规引用的解引用。 + + +常规引用是一个指针类型，包含了目标数据存储的内存地址。对常规引用使用`*`操作符，就可以通过解引用的方式获取到内存地址对应的数据值: +```rust +fn main() { + let x = 5; + let y = &x; + + assert_eq!(5, x); + assert_eq!(5, *y); +} +``` + +这里`y`就是一个常规引用，包含了值`5`所在的内存地址, 然后通过解引用`*y`，我们获取到了值`5`。如果你试图执行`assert_eq!(5, y);`,代码就会无情报错，因为你无法将一个引用与一个数值做比较: +```console +error[E0277]: can't compare `{integer}` with `&{integer}` //无法将{integer} 与&{integer}进行比较 + --> src/main.rs:6:5 + | +6 | assert_eq!(5, y); + | ^^^^^^^^^^^^^^^^^ no implementation for `{integer} == &{integer}` + | + = help: the trait `PartialEq<&{integer}>` is not implemented for `{integer}` + // 你需要为{integer}实现用于比较的特征PartialEq<&{integer}> +``` + +## 智能指针解引用 +上面所说的解引用方式和其它大多数语言并无区别，但是Rust中将解引用提升到了一个新高度。考虑一下智能指针，它是一个结构体类型，如果你直接对它进行`*myStruct`，显然编译器不知道该如何办，因此我们可以为智能指针结构体实现`Deref`特征。 + +实现`Deref`后的智能指针结构体，就可以像普通引用一样，通过`*`进行解引用，例如`Box`智能指针: +```rust +fn main() { + let x = Box::new(1); + let sum = *x + 1; +} +``` + +智能指针`x`被`*`解引用为`i32`类型的值`1`，然后再进行求和。 + +#### 定义自己的智能指针 +现在，让我们一起来实现一个智能指针，功能上类似`Box`。由于`Box`本身很简单，并没有包含类如长度、最大长度等信息，因此用一个元组结构体即可。 + +```rust +struct MyBox(T); + +impl MyBox { + fn new(x: T) -> MyBox { + MyBox(x) + } +} +``` + +跟`Box`一样，我们的智能指针也持有一个`T`类型的值，然后使用关联函数`MyBox::new`来创建智能指针。由于还未实现`Deref`特征，此时使用`*`肯定会报错: +```rust +fn main() { + let y = MyBox::new(5); + + assert_eq!(5, *y); +} +``` + +运行后，报错如下： +```console +error[E0614]: type `MyBox<{integer}>` cannot be dereferenced + --> src/main.rs:12:19 + | +12 | assert_eq!(5, *y); + | ^^ +``` + +##### 为智能指针实现Deref特征 +现在来为`MyBox`实现`Deref`特征, 以支持`*`解引用操作符: +```rust +use std::ops::Deref; + +impl Deref for MyBox { + type Target = T; + + fn deref(&self) -> &Self::Target { + &self.0 + } +} +``` + +很简单，当解引用`MyBox`智能指针时，返回元组结构体中的元素`&self.0`, 有几点要注意的： + +- 为了可读性, 我们声明了关联类型`Target` +- `deref`返回的是一个常规引用，可以被`*`进行解引用 + +之前报错的代码此时已能顺利编译通过。当然，标准库实现的智能指针要考虑很多边边角角情况，肯定比我们的实现要复杂。 + +## `*`背后的原理 +当我们对智能指针`Box`进行解引用时, 实际上Rust为我们调用了以下方法： +```rust +*(y.deref()) +``` + +首先调用`deref`方法返回值的常规引用，然后通过`*`对常规引用进行解引用，最终获取到目标值。 + +至于Rust为何要使用这个有点啰嗦的方式实现，原因是因为所有权系统的存在。如果`deref`方法直接返回一个值，而不是引用，那么该值的所有权将被转移给调用者，而我们不希望调用者仅仅只是`*T`一下，就拿走了智能指针中包含的值。 + +需要注意的是，`*`不会无限递归替换，从`*y`到`*(y.deref())`只会发生一次，而不会继续进行替换然后产生形如`*((y.deref()).deref())`的怪物。 + + +## 函数和方法中的隐式Deref转换 +在函数和方法中，Rust提供了一个极其有用的隐式转换：`Deref`转换。简单来说，当一个实现了`Deref`特征的值被传给函数或方法时，会根据函数参数的要求，来决定使用该值原本的类型还是`Deref`后的类型，例如: +```rust +fn main() { + let s = String::from("hello world"); + display(&s) +} + +fn display(s: &str) { + println!("{}",s); +} +``` + +以上代码有几点值得注意： + +- `String`实现了`Deref`特征，能被转换成一个`&str` +- `s`是一个`String`类型，当它被传给`display`函数时，自动通过`Deref`转换成了`&str` +- 必须使用`&s`的方式来触发`Deref` + +#### 连续的隐式Deref转换 +如果你以为`Deref`仅仅这点作用，那就大错特错了。`Deref`可以支持连续的隐式转换，直到找到适合的形式为止: +```rust +fn main() { + let s = MyBox::new(String::from("hello world")); + display(&s) +} + +fn display(s: &str) { + println!("{}",s); +} +``` + +这里我们使用了之前自定义的智能指针`MyBox`，并将其通过连续的隐式转换变成`&str`类型：首先`MyBox`被`Deref`成`String`类型，结果并不能满足`display`函数参数的要求，编译器发现`String`还可以继续`Deref`成`&str`，最终成功的匹配了函数参数。 + +想象一下，假如`Rust`没有提供这种隐式转换，我们该如何调用`display`函数？ +```rust +fn main() { + let m = MyBox::new(String::from("Rust")); + hello(&(*m)[..]); +} +``` + +结果不言而喻，肯定是`&s`的方式优秀的多。总之，当参与其中的类型定义了`Deref`特征时，Rust会分析该类型并且连续使用`Deref`直到最终获得一个引用来匹配函数或者方法的参数类型，这种行为完全不会造成任何的性能损耗, 因为完全是在编译期完成。 + +但是`Deref`并不是没有缺点，缺点就是：如果你不知道某个类型实现了`Deref`特征，那么在看到某段代码时，并不能在第一时间反应过来该代码发生了隐式的`Deref`转换。事实上，不仅仅是`Deref`，在Rust中还有各种`From/Into`等等会给阅读代码带来一定负担的特征。还是那句话，一切选择都是权衡，有得必有失，得了代码的简洁性，往往就失去了可读性，Go语言就是一个刚好相反的例子。 + +再来看一下在方法、赋值中自动应用`Deref`的例子: +```rust +fn main() { + let s = MyBox::new(String::from("hello, world")); + let s1:&str = &s; + let s2: String = s.to_string(); +} +``` + +对于`s1`，我们通过两次`Deref`将`&str`类型的值赋给了它；而对于`s2`，我们在其上直接调用方法`to_string`, 实际上`MyBox`根本没有没有实现该方法，能调用`to_string`，完全是因为编译器对`MyBox`应用了`Deref`的结果。 + +## Deref规则总结 +在上面，我们零碎的介绍了不少关于`Deref`特征的知识，下面来通过较为正式的方式来对其规则进行下总结。 + +一个类型为`T`的对象`foo`，如果`T: Deref`，那么，相关`foo`的引用`&foo`在应用的时候会自动转换`&U`。 + +粗看这条规则，貌似有点类似于`AsRef`，而跟`解引`似乎风马牛不相及, 实际里面里面有些玄妙之处。 + +Rust编译器会在做`*v`操作的时候，自动先把`v`做引用归一化操作，即转换成内部通用引用的形式`&v`，整个表达式就变成 `*&v`。这里面有两种情况： + +1. 把智能指针（比如在库中定义的，Box, Rc, Arc, Cow 等），去掉壳，转成内部标准形式`&v`； +2. 把多重`&` （比如：`&&&&&&&v`），简化成`&v`（通过插入足够数量的`*`进行解引）。 +所以，它实际上在解引用之前做了一个引用的归一化操作。 + +为什么要转呢？ 因为编译器设计的能力是，只能够对 &v 这种引用进行解引用。其它形式的它不认识，所以要做引用归一化操作。 + +使用引用进行过渡也是为了能够防止不必要的拷贝。 + +下面举一些例子： +```rust + fn foo(s: &str) { + // borrow a string for a second + } + + // String implements Deref + let owned = "Hello".to_string(); + + // therefore, this works: + foo(&owned); +``` + +因为`String`实现了`Deref`。 + +```rust + use std::rc::Rc; + + fn foo(s: &str) { + // borrow a string for a second + } + + // String implements Deref + let owned = "Hello".to_string(); + let counted = Rc::new(owned); + + // therefore, this works: + foo(&counted); +``` + +因为`Vec` 实现了`Deref`。 + +```rust + struct Foo; + + impl Foo { + fn foo(&self) { println!("Foo"); } + } + + let f = &&Foo; + + f.foo(); + (&f).foo(); + (&&f).foo(); + (&&&&&&&&f).foo(); +``` + +## 三种Deref转换 +在之前，我们讲的都是不可变的`Deref`转换，实际上Rust还支持将一个可变的引用转换成另一个可变的引用以及将一个可变引用转换成不可变的引用，规则如下： +- 当`T: Deref`，可以将`&T`转换成`&U`，也就是我们之前看到的例子 +- 当`T: DerefMut`，可以将`&mut T`转换成`&mut U` +- 当`T: Deref`，可以将`&mut T`转换成`&U` + +来看一个关于`DerefMut`的例子： +```rust +struct MyBox { + v: T +} + +impl MyBox { + fn new(x: T) -> MyBox { + MyBox{ + v: x + } + } +} + +use std::ops::Deref; + +impl Deref for MyBox { + type Target = T; + + fn deref(&self) -> &Self::Target { + &self.v + } +} + +use std::ops::DerefMut; + +impl DerefMut for MyBox { + fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target { + &mut self.v + } +} + +fn main() { + let mut s = MyBox::new(String::from("hello, ")); + display(&mut s) +} + +fn display(s: &mut String) { + s.push_str("world"); + println!("{}",s); +} +``` + +以上代码有几点值得注意: + +- 要实现`DerefMut`必须要先实现`Deref`特征: `pub trait DerefMut: Deref {` +- `T: DerefMut`解读:将`&mut T`类型通过`DerefMut`特征的方法转换为`&mut U`类型，对应上例中，就是将`&mut MyBox`转换为`&mut String` + +对于上述三条规则中的第三条，它比另外两条稍微复杂了点：Rust可以把可变引用隐式的转换成不可变引用，但反之则不行。 + +如果从Rust的所有权和借用规则的角度考虑，当你拥有一个可变的引用，那该引用肯定是对应数据的唯一借用，那么此时将可变引用变成不可变引用并不会破坏借用规则；但是如果你拥有一个不可变引用，那同时可能还存在其它几个不可变的引用，如果此时将其中一个不可变引用转换成可变引用，就变成了可变引用与不可变引用的共存，最终破坏了借用规则。 + + +## 总结 +`Deref`可以说是Rust中最常见的隐式类型转换，而且它可以连续的实现如`Box -> String -> &str`的隐式转换，只要链条上的类型实现了`Deref`特征。 + +我们也可以为自己的类型实现`Deref`特征, 但是原则上来说，只应该为自定义的智能指针实现`Deref`。例如，虽然你可以为自己的自定义数组类型实现`Deref`以避免`myArr.0[0]`的使用形式，但是Rust官方并不推荐这么做，特别是在你开发三方库时。 \ No newline at end of file