新增章节: [栈上的链表]

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sunface 3 years ago
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@ -229,6 +229,8 @@
- [使用高级技巧实现链表](too-many-lists/advanced-lists/intro.md)
- [生产级可用的双向链表](too-many-lists/advanced-lists/unsafe-deque.md)
- [双单向链表](too-many-lists/advanced-lists/double-singly.md)
- [栈上的链表](too-many-lists/advanced-lists/stack-allocated.md)
- [Rust 性能优化 todo](profiling/intro.md)
- [深入内存 todo](profiling/memory/intro.md)

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# 栈上的链表
在之前的章节中,无一例外,我们创建的都是数据存储在堆上的链表,这种链表最常见也最实用:堆内存在动态分配的场景非常好用。
但是,既然是高级技巧章节,那栈链表也应该拥有一席之地。但与堆内存的简单分配相比,栈内存就没那么友好了,你们猜大名鼎鼎的 C 语言的 `alloca` 是因为什么而出名的 :)
限于章节篇幅,这里我们使用一个简单的栈分配方法:调用一个函数,获取一个新的、拥有更多空间的栈帧。说实话,该解决方法要多愚蠢有多愚蠢,但是它确实相当实用,甚至...有用。
任何时候,当我们在做一些递归的任务时,都可以将当前步骤状态的指针传递给下一个步骤。如果指针本身就是状态的一部分,那恭喜你:你在创建一个栈上分配的链表!
新的链表类型本身就是一个 Node并且包含一个引用指向另一个 Node:
```rust
pub struct List<'a, T> {
pub data: T,
pub prev: Option<&'a List<'a, T>>,
}
```
该链表只有一个操作 `push`,需要注意的是,跟其它链表不同,这里的 `push` 是通过回调的方式来完成新元素推入,并将回调返回的值直接返回给 `push` 的调用者:
```rust
impl<'a, T> List<'a, T> {
pub fn push<U>(
prev: Option<&'a List<'a, T>>,
data: T,
callback: impl FnOnce(&List<'a, T>) -> U,
) -> U {
let list = List { data, prev };
callback(&list)
}
}
```
搞定,提前问一句:你见过回调地狱吗?
```rust
List::push(None, 3, |list| {
println!("{}", list.data);
List::push(Some(list), 5, |list| {
println!("{}", list.data);
List::push(Some(list), 13, |list| {
println!("{}", list.data);
})
})
})
```
不禁让人感叹,这段回调代码多么的美丽动人😿。
用户还可以简单地使用 `while-let` 的方式来编译遍历链表,但是为了增加一些趣味,咱们还是继续使用迭代器:
```rust
impl<'a, T> List<'a, T> {
pub fn iter(&'a self) -> Iter<'a, T> {
Iter { next: Some(self) }
}
}
impl<'a, T> Iterator for Iter<'a, T> {
type Item = &'a T;
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
self.next.map(|node| {
self.next = node.prev;
&node.data
})
}
}
```
测试下:
```rust
#[cfg(test)]
mod test {
use super::List;
#[test]
fn elegance() {
List::push(None, 3, |list| {
assert_eq!(list.iter().copied().sum::<i32>(), 3);
List::push(Some(list), 5, |list| {
assert_eq!(list.iter().copied().sum::<i32>(), 5 + 3);
List::push(Some(list), 13, |list| {
assert_eq!(list.iter().copied().sum::<i32>(), 13 + 5 + 3);
})
})
})
}
}
```
```shell
> cargo test
running 18 tests
test fifth::test::into_iter ... ok
test fifth::test::iter ... ok
test fifth::test::iter_mut ... ok
test fifth::test::basics ... ok
test fifth::test::miri_food ... ok
test first::test::basics ... ok
test second::test::into_iter ... ok
test fourth::test::peek ... ok
test fourth::test::into_iter ... ok
test second::test::iter_mut ... ok
test fourth::test::basics ... ok
test second::test::basics ... ok
test second::test::iter ... ok
test third::test::basics ... ok
test silly1::test::walk_aboot ... ok
test silly2::test::elegance ... ok
test second::test::peek ... ok
test third::test::iter ... ok
test result: ok. 18 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out;
```
部分读者此时可能会有一些大胆的想法:咦?我能否修改 Node 中的值?大胆但貌似可行,不妨来试试。
```rust
pub struct List<'a, T> {
pub data: T,
pub prev: Option<&'a mut List<'a, T>>,
}
pub struct Iter<'a, T> {
next: Option<&'a List<'a, T>>,
}
impl<'a, T> List<'a, T> {
pub fn push<U>(
prev: Option<&'a mut List<'a, T>>,
data: T,
callback: impl FnOnce(&mut List<'a, T>) -> U,
) -> U {
let mut list = List { data, prev };
callback(&mut list)
}
pub fn iter(&'a self) -> Iter<'a, T> {
Iter { next: Some(self) }
}
}
impl<'a, T> Iterator for Iter<'a, T> {
type Item = &'a T;
fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
self.next.map(|node| {
self.next = node.prev.as_ref().map(|prev| &**prev);
&node.data
})
}
}
```
```shell
> cargo test
error[E0521]: borrowed data escapes outside of closure
--> src\silly2.rs:47:32
|
46 | List::push(Some(list), 13, |list| {
| ----
| |
| `list` declared here, outside of the closure body
| `list` is a reference that is only valid in the closure body
47 | assert_eq!(list.iter().copied().sum::<i32>(), 13 + 5 + 3);
| ^^^^^^^^^^^ `list` escapes the closure body here
error[E0521]: borrowed data escapes outside of closure
--> src\silly2.rs:45:28
|
44 | List::push(Some(list), 5, |list| {
| ----
| |
| `list` declared here, outside of the closure body
| `list` is a reference that is only valid in the closure body
45 | assert_eq!(list.iter().copied().sum::<i32>(), 5 + 3);
| ^^^^^^^^^^^ `list` escapes the closure body here
<ad infinitum>
```
嗯,没想到是浓眉大眼的迭代器背叛了我们,为了验证到底是哪里出了问题,我们来修改下测试:
```rust
#[test]
fn elegance() {
List::push(None, 3, |list| {
assert_eq!(list.data, 3);
List::push(Some(list), 5, |list| {
assert_eq!(list.data, 5);
List::push(Some(list), 13, |list| {
assert_eq!(list.data, 13);
})
})
})
}
```
```shell
> cargo test
error[E0521]: borrowed data escapes outside of closure
--> src\silly2.rs:46:17
|
44 | List::push(Some(list), 5, |list| {
| ----
| |
| `list` declared here, outside of the closure body
| `list` is a reference that is only valid in the closure body
45 | assert_eq!(list.data, 5);
46 | / List::push(Some(list), 13, |list| {
47 | | assert_eq!(list.data, 13);
48 | | })
| |______^ `list` escapes the closure body here
error[E0521]: borrowed data escapes outside of closure
--> src\silly2.rs:44:13
|
42 | List::push(None, 3, |list| {
| ----
| |
| `list` declared here, outside of the closure body
| `list` is a reference that is only valid in the closure body
43 | assert_eq!(list.data, 3);
44 | / List::push(Some(list), 5, |list| {
45 | | assert_eq!(list.data, 5);
46 | | List::push(Some(list), 13, |list| {
47 | | assert_eq!(list.data, 13);
48 | | })
49 | | })
| |______________^ `list` escapes the closure body here
```
原因在于我们的链表不小心依赖了<ruby>型变<rt>variance</rt></ruby>。型变是一个[相当复杂的概念](https://doc.rust-lang.org/nomicon/subtyping.html),下面来简单了解下。
每一个节点( Node )都包含一个引用,该引用指向另一个节点, 且这两个节点是同一个类型。如果从最里面的节点角度来看,那所有外部的节点都在使用和它一样的生命周期,但这个显然是不对的:链表中的每一个节点都会比它指向的节点活得更久,因为它们的作用域是嵌套存在的。
那之前的不可变引用版本为何可以正常工作呢?原因是在大多数时候,编译器都能自己判断:虽然某些东东活得太久了,但是这是安全的。当我们把一个 List 塞入另一个时,编译器会迅速将生命周期进行收缩以满足新的 List 的需求,**这种生命周期收缩就是一种型变**。
如果大家还是觉得不太理解,我们来考虑下其它拥有继承特性的编程语言。在该语言中,当你将一个 `Cat` 传递给需要 `Animal` 的地方时( `Animal``Cat` 的父类型),型变就发生了。从字面来说,将一只猫传给需要动物的地方,也是合适的,毕竟猫确实是动物的一种。
总之,可以看出无论是从大的生命周期收缩为小的生命周期,还是从 `Cat``Animal`,型变的典型特征就是:范围在减小,毕竟子类型的功能肯定是比父类型多的。
既然有型变,为何可变引用的版本会报错呢?其实在于型变不总是安全的,假如之前的代码可以编译,那我们可以写出<ruby>释放后再使用<rt>use-after-free</rt></ruby> 的代码:
```rust
List::push(None, 3, |list| {
List::push(Some(list), 5, |list| {
List::push(Some(list), 13, |list| {
// 哈哈,好爽,由于所有的生命周期都是相同的,因此编译器允许我重写父节点,并让它持有一个可变指针指向我自己。
// 我将创建所有的 use-after-free !
*list.prev.as_mut().unwrap().prev = Some(list);
})
})
})
```
一旦引入可变性,型变就会造成这样的隐患:意外修改了不该被修改的代码,但这些代码的调用者还在期待着和往常一样的结果!例如以下例子:
```rust
let mut my_kitty = Cat; // Make a Cat (long lifetime)
let animal: &mut Animal = &mut my_kitty; // Forget it's a Cat (shorten lifetime)
*animal = Dog; // Write a Dog (short lifetime)
my_kitty.meow(); // Meowing Dog! (Use After Free)
```
我们将长生命周期的猫转换成短生命周期的动物,可变的!然后通过短生命周期的动物将指针重新指向一只狗。此时我们想去撸软萌猫的时候,就听到:`旺旺...呜嗷嗷嗷`,对,你没听错,不仅没有了猫叫,甚至于狗还没叫完,就可能在某个地方又被修改成狼了。
因此,**虽然你可以修改可变引用的生命周期,但是一旦开始嵌套,它们就将失去型变,变成`不变( invariant )`**。此时,就再也无法对生命周期进行收缩了。
具体来说: `&mut &'big mut T` 无法被转换成 `&mut &'small mut T`,这里 `'big` 代表比 `'small` 更大的生命周期。或者用更正式的说法:`&'a mut T` 对于 `'a` 来说是协变( `covariant` )的,但是对于 `T` 是不变的( `invariant` )。
---
说了这么多高深的理论,那么该如何改变链表的数据呢?答案就是:使用老本行 - 内部可变性。
下面让我们回滚到之前的不可变版本,然后使用 `Cell` 来替代 `&mut`
```rust
#[test]
fn cell() {
use std::cell::Cell;
List::push(None, Cell::new(3), |list| {
List::push(Some(list), Cell::new(5), |list| {
List::push(Some(list), Cell::new(13), |list| {
// Multiply every value in the list by 10
for val in list.iter() {
val.set(val.get() * 10)
}
let mut vals = list.iter();
assert_eq!(vals.next().unwrap().get(), 130);
assert_eq!(vals.next().unwrap().get(), 50);
assert_eq!(vals.next().unwrap().get(), 30);
assert_eq!(vals.next(), None);
assert_eq!(vals.next(), None);
})
})
})
}
```
```shell
> cargo test
running 19 tests
test fifth::test::into_iter ... ok
test fifth::test::basics ... ok
test fifth::test::iter_mut ... ok
test fifth::test::iter ... ok
test fourth::test::basics ... ok
test fourth::test::into_iter ... ok
test second::test::into_iter ... ok
test first::test::basics ... ok
test fourth::test::peek ... ok
test second::test::basics ... ok
test fifth::test::miri_food ... ok
test silly2::test::cell ... ok
test third::test::iter ... ok
test second::test::iter_mut ... ok
test second::test::peek ... ok
test silly1::test::walk_aboot ... ok
test silly2::test::elegance ... ok
test third::test::basics ... ok
test second::test::iter ... ok
test result: ok. 19 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out;
```
简简单单搞定,虽然之前我们嫌弃内部可变性,但是在这里:真香!

@ -1,6 +1,10 @@
# ChangeLog
记录一些值得注意的变更。
## 2022-03-29
- 新增章节: [栈上的链表](https://course.rs/too-many-lists/advanced-lists/stack-allocated.html)
## 2022-03-28
- 新增章节:[双单向链表](https://course.rs/too-many-lists/advanced-lists/double-singly.html)

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