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## 结构体自引用
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结构体自引用在Rust中是一个众所周知的难题，而且众说纷纭，也没有一篇文章能把相关的话题讲透，那本文就王婆卖瓜，来试试看能不能讲透这一块儿内容，让读者大大们舒心。
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## 平平无奇的自引用
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可能也有不少人第一次听说自引用结构体，那咱们先来看看它们长啥样。
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```rust
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struct RefWithinMe<'a> {
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value: String,
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// 该引用指向上面的value
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pointer_to_value: &'a str,
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}
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```
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以上就是一个很简单的自引用结构体,看上去好像没什么，那来试着运行下：
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```rust
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fn main(){
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let s = "aaa".to_string();
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let v = SelfRef {
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value: s,
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pointer_to_value: &s
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};
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}
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```
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运行后报错:
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```console
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let v = SelfRef {
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12 | value: s,
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| - value moved here
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13 | pointer_to_value: &s
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| ^^ value borrowed here after move
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```
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因为我们试图同时使用值和值的引用，最终所有权转移和借用一起发生了。所以，这个问题貌似并没有那么好解决，不信你可以回想下自己具有的知识，是否可以解决？
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## 使用Option
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最简单的方式就是使用`Opiton`分两步来实现:
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```rust
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#[derive(Debug)]
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struct WhatAboutThis<'a> {
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name: String,
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nickname: Option<&'a str>,
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}
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fn main() {
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let mut tricky = WhatAboutThis {
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name: "Annabelle".to_string(),
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nickname: None,
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|
};
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tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
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println!("{:?}", tricky);
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}
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```
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在某种程度上来说，`Option`这个方法可以工作，但是这个方法的限制较多，例如从一个函数创建并返回它是不可能的:
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```rust
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fn creator<'a>() -> WhatAboutThis<'a> {
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let mut tricky = WhatAboutThis {
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|
name: "Annabelle".to_string(),
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|
nickname: None,
|
|
|
};
|
|
|
tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
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|
tricky
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|
}
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|
```
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报错如下:
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|
```console
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|
error[E0515]: cannot return value referencing local data `tricky.name`
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|
--> src/main.rs:24:5
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22 | tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
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| ----------- `tricky.name` is borrowed here
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23 |
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24 | tricky
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| ^^^^^^ returns a value referencing data owned by the current function
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```
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其实从函数签名就能看出来端倪，`'a`生命周期是凭空产生的！
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如果是通过方法使用，你需要一个无用`&'a self`生命周期标识，一旦有了这个标识，代码将变得更加受限，你将很容易就获得借用错误，就连NLL规则都没用：
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```rust
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#[derive(Debug)]
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struct WhatAboutThis<'a> {
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name: String,
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|
nickname: Option<&'a str>,
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|
|
}
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|
impl<'a> WhatAboutThis<'a> {
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fn tie_the_knot(&'a mut self) {
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self.nickname = Some(&self.name[..4]);
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|
}
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}
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fn main() {
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let mut tricky = WhatAboutThis {
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|
name: "Annabelle".to_string(),
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|
nickname: None,
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|
};
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|
tricky.tie_the_knot();
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|
// cannot borrow `tricky` as immutable because it is also borrowed as mutable
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// println!("{:?}", tricky);
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}
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```
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## unsafe实现
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既然借用规则妨碍了我们，那就一脚踢开:
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|
```rust
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#[derive(Debug)]
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|
struct SelfRef {
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value: String,
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|
pointer_to_value: *const String,
|
|
|
}
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impl SelfRef {
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fn new(txt: &str) -> Self {
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|
SelfRef {
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|
value: String::from(txt),
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|
|
pointer_to_value: std::ptr::null(),
|
|
|
}
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|
|
}
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|
fn init(&mut self) {
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|
let self_ref: *const String = &self.value;
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|
self.pointer_to_value = self_ref;
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|
}
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|
fn value(&self) -> &str {
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|
&self.value
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|
}
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fn pointer_to_value(&self) -> &String {
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|
assert!(!self.pointer_to_value.is_null(), "Test::b called without Test::init being called first");
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|
|
unsafe { &*(self.pointer_to_value) }
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|
|
}
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|
}
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fn main() {
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let mut t = SelfRef::new("hello");
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|
t.init();
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// 打印值和指针地址
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println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
|
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|
}
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```
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|
在这里，我们在`pointer_to_value`中直接存储原生指针，而不是Rust的引用，因此不再受到Rust借用规则和生命周期的限制，而且实现起来非常清晰、简洁。但是缺点就是，通过指针获取值时需要使用`unsafe`代码,
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|
当然，上面的代码你还能通过原生指针来修改`String`，但是需要将`*const`修改为`*mut`:
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|
```rust
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|
#[derive(Debug)]
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|
|
struct SelfRef {
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|
|
value: String,
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|
|
pointer_to_value: *mut String,
|
|
|
}
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|
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|
impl SelfRef {
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|
fn new(txt: &str) -> Self {
|
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|
SelfRef {
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|
|
value: String::from(txt),
|
|
|
pointer_to_value: std::ptr::null_mut(),
|
|
|
}
|
|
|
}
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|
fn init(&mut self) {
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|
let self_ref: *mut String = &mut self.value;
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|
self.pointer_to_value = self_ref;
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|
}
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|
fn value(&self) -> &str {
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|
&self.value
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|
}
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|
fn pointer_to_value(&self) -> &String {
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|
|
assert!(!self.pointer_to_value.is_null(), "Test::b called without Test::init being called first");
|
|
|
unsafe { &*(self.pointer_to_value) }
|
|
|
}
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|
|
}
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fn main() {
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|
let mut t = SelfRef::new("hello");
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|
t.init();
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println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
|
|
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t.value.push_str(", world");
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|
unsafe {
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|
|
(&mut *t.pointer_to_value).push_str("!");
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|
|
}
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|
|
println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
|
|
|
}
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|
```
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|
运行后输出:
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|
```console
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|
hello, 0x16f3aec70
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|
|
hello, world!, 0x16f3#aec70
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|
```
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|
上面的`unsafe`虽然简单好用，但是它不太安全，是否还有其他选择？还真的有，那就是`Pin`。
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## 无法被移动的Pin
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Pin在后续章节会深入讲解，目前你只需要知道它可以固定住一个值，防止该值在内存中被移动。
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通过开头我们知道，自引用最麻烦的就是创建引用的同时，值的所有权会被转移，而通过Pin就可以很好的防止这一点:
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|
```rust
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use std::marker::PhantomPinned;
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use std::pin::Pin;
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use std::ptr::NonNull;
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// 下面是一个自引用数据结构体，因为slice字段是一个指针, 指向了data字段
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// 我们无法使用普通引用来实现，因为违背了Rust的编译规则
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|
// 因此，这里我们使用了一个原生指针，通过NonNull来确保它不会为null
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|
struct Unmovable {
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data: String,
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|
slice: NonNull<String>,
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|
_pin: PhantomPinned,
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|
}
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|
impl Unmovable {
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|
|
// 为了确保函数返回时数据的所有权不会被转移, 我们将它放在堆上, 唯一的访问方式就是通过指针
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|
fn new(data: String) -> Pin<Box<Self>> {
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let res = Unmovable {
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data,
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// 只有在数据到位时，才创建指针，否则数据会在开始之前就被转移所有权
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|
|
slice: NonNull::dangling(),
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|
|
_pin: PhantomPinned,
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|
|
};
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|
|
let mut boxed = Box::pin(res);
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let slice = NonNull::from(&boxed.data);
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|
// 这里其实安全的，因为修改一个字段不会转移整个结构体的所有权
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|
unsafe {
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|
let mut_ref: Pin<&mut Self> = Pin::as_mut(&mut boxed);
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|
|
Pin::get_unchecked_mut(mut_ref).slice = slice;
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|
|
}
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|
|
boxed
|
|
|
}
|
|
|
}
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|
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|
|
fn main() {
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let unmoved = Unmovable::new("hello".to_string());
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|
// 只要结构体没有被转移，那指针就应该指向正确的位置，而且我们可以随意移动指针
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let mut still_unmoved = unmoved;
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|
assert_eq!(still_unmoved.slice, NonNull::from(&still_unmoved.data));
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// 因为我们的类型没有实现`Unpin`特征，下面这段代码将无法编译
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// let mut new_unmoved = Unmovable::new("world".to_string());
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// std::mem::swap(&mut *still_unmoved, &mut *new_unmoved);
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|
}
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```
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|
上面的代码也非常清晰，虽然使用了`unsafe`，其实更多的是无奈之举，跟之前的`unsafe`实现完全不可同日而语。
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其实`Pin`在这里并没有魔法，它也并不是实现自引用类型的主要原因，最关键的还是里面的原生指针的使用，而`Pin`起到的就是确保我们的值不会被移走，否则指针就会指向一个错误的地址！
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## 使用ouroboros
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对于自引用结构体，三方库也有支持的，其中一个就是`ouroboros`，当然它也有自己的限制，我们后面会提到，先来看看该如何使用：
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```rust
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|
use ouroboros::self_referencing;
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|
#[self_referencing]
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|
struct SelfRef {
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value: String,
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#[borrows(value)]
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|
pointer_to_value: &'this str,
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|
}
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fn main(){
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let v = SelfRefBuilder {
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|
value: "aaa".to_string(),
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|
pointer_to_value_builder: |value: &String| value,
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|
|
}.build();
|
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|
|
|
// 借用value值
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|
let s = v.borrow_value();
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|
// 借用指针
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let p = v.borrow_pointer_to_value();
|
|
|
// value值和指针指向的值相等
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|
assert_eq!(s, *p);
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|
|
}
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|
```
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可以看到，`ouroboros`使用起来并不复杂，就是需要你去按照它的方式创建结构体和引用类型：`SelfRef`变成`SelfRefBuilder`，引用字段从`pointer_to_value`变成`pointer_to_value_builder`，并且连类型都变了。
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在使用时，通过`borrow_value`来借用`value`的值，通过`borrow_pointer_to_value`来借用`pointer_to_value`这个指针。
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看上去很美好对吧？但是你可以尝试着去修改`String`字符串的值试试，`ouroboros`限制还是较多的，但是对于基本类型依然是支持的不错，以下例子来源于官方:
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|
```rust
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|
|
use ouroboros::self_referencing;
|
|
|
|
|
|
#[self_referencing]
|
|
|
struct MyStruct {
|
|
|
int_data: i32,
|
|
|
float_data: f32,
|
|
|
#[borrows(int_data)]
|
|
|
int_reference: &'this i32,
|
|
|
#[borrows(mut float_data)]
|
|
|
float_reference: &'this mut f32,
|
|
|
}
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|
fn main() {
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|
let mut my_value = MyStructBuilder {
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int_data: 42,
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float_data: 3.14,
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int_reference_builder: |int_data: &i32| int_data,
|
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|
float_reference_builder: |float_data: &mut f32| float_data,
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|
|
}.build();
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// Prints 42
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println!("{:?}", my_value.borrow_int_data());
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// Prints 3.14
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|
println!("{:?}", my_value.borrow_float_reference());
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|
// Sets the value of float_data to 84.0
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|
my_value.with_mut(|fields| {
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**fields.float_reference = (**fields.int_reference as f32) * 2.0;
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});
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// We can hold on to this reference...
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let int_ref = *my_value.borrow_int_reference();
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println!("{:?}", *int_ref);
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// As long as the struct is still alive.
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|
drop(my_value);
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// This will cause an error!
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// println!("{:?}", *int_ref);
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|
}
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|
```
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总之，使用这个库前，强烈建议看一些官方的例子中支持什么样的类型和API，如果能满足的你的需求，就果断使用它，如果不能满足，就继续往下看。
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只能说，它确实帮助我们解决了问题，但是一个是破坏了原有的结构，另外就是并不是所有数据类型都支持：它需要目标值的内存地址不会改变，因此`Vec`动态数组就不适合，因为当内存空间不够时，Rust会重新分配一块空间来存放该数组，这会导致内存地址的改变。
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类似的库还有:
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- [rental](https://github.com/jpernst/rental)， 这个库其实是最有名的，但是好像不再维护了，用倒是没问题
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- [owning-ref](https://github.com/Kimundi/owning-ref-rs)
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这三个库，各有各的特点，也各有各的缺陷，建议大家需要时，一定要仔细调研，并且写demo进行测试，不可大意。
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> rental虽然不怎么维护，但是可能依然是这三个里面最强大的，而且网上的用例也比较多，容易找到参考代码
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## Rc+RefCell或Arc+Mutex
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类似于循环引用的解决方式，自引用也可以用这种组合来解决，但是会导致代码的类型标识到处都是，大大的影响了可读性。
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## 终极大法
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如果两个放在一起会报错，那就分开它们。对，终极大法就这么简单，当然思路上的简单不代表实现上的简单，最终结果就是导致代码复杂度的上升。
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## 学习一本书：如何实现链表
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最后，推荐一本专门将如何实现链表的书(真是富有Rust特色，链表都能复杂到出书了O, O)，[too many lists](https://rust-unofficial.github.io/too-many-lists/)
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## 总结
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上面讲了这么多方法，但是我们依然无法正确的告诉你在某个场景应该使用哪个方法，这个需要你自己的判断，因为自引用实在是过于复杂。
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我们能做的就是告诉你，有这些办法可以解决自引用问题，而这些办法每个都有自己适用的范围，需要你未来去深入的挖掘和发现。
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偷偷说一句，就算是我，遇到自引用一样挺头疼，好在这种情况真的不常见，往往是实现特定的算法和数据结构时才需要，应用代码中几乎用不到。 |
