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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();
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// 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:
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```rust
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use ouroboros::self_referencing;
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#[self_referencing]
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struct MyStruct {
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int_data: i32,
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float_data: f32,
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#[borrows(int_data)]
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|
int_reference: &'this i32,
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#[borrows(mut float_data)]
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float_reference: &'this mut f32,
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}
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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，这里的`String`非常适合因此`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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#### unsafe实现
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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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}
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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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}
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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),
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|
pointer_to_value: std::ptr::null_mut(),
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|
}
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|
}
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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");
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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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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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|
```
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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，防止该值的所有权被转移。
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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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|
}
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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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总之通过`Pin`来实现，绝对值得优先考虑，代码清晰的同时逼格还挺高。
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## 玉树临风的自引用
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```rust
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use std::str;
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struct MyStruct<'a>{
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Buf: Vec<u8>,
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repr: Parsed<'a>
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}
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struct Parsed<'a>{
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name:&'a str
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}
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fn main(){
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let v = vec!(0065,0066,0067,0068,0069);
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let s = str::from_utf8(&v).unwrap();
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println!("{}",s);
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let p = &v[1..=3];
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let s1 = str::from_utf8(p).unwrap();
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println!("{}",s1);
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let par = Parsed{name:s1};
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let new1 = MyStruct{Buf:v,repr:par};
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}
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```
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## 三方库解决引用循环
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一些三方库也可以用来解决引用循环的问题，例如:
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1. https://github.com/Kimundi/owning-ref-rs
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2. https://github.com/joshua-maros/ouroboros
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不过需要注意的是，这些库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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## 学习一本书：如何实现链表
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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。 |
