智能指针
在C/C++中，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理，自C++11起，引入了智能指针来协助管理内存。对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象的生命周期即将结束时，通过析构函数释放由它管理的堆内存，典型用法比如shared_ptr、unique_ptr。
在Rust中，由于每一个对象均有其对应的所有权，所以当出现对象共享时，就会有可能出现所有权竞争问题了，为了解决这些问题，Rust引入了智能指针的概念。由于Rust禁止了共享指针访问，在共享访问的场景，使用智能指针可以在编译阶段就可以跟踪对象的所有权，从而在安全的基础上提供了编程的便利性。
智能指针是Rust中一种特殊的数据结构，与普通指针主要目的是借用对象的值不同，智能指针通常拥有对象的所有权。
简单示例如下：
fn main() {
let x: i32 = 2021;
let y = Box::new(x);
assert_eq!(2021, x);
assert_eq!(2021, *y);
}
y通过Box封装了一个i32的变量，y是一个栈上的指针，这个指针的生命周期与所有权遵循常规变量。
另一个常见的智能指针是Rc：
use std::rc::Rc;
fn main() {
let x = Rc::new("hello, world");
println!("{:?}", x.chars());
}
Rc指针封装了一个字符串，并且封装之后，可以将x视为一个字符串进行操作。
Rc的实现源码如下：
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
impl<T: ?Sized> Deref for Rc<T> {
type Target = T;
#[inline(always)]
fn deref(&self) -> &T {
&self.inner().value
}
}
从Rc源码可以看出，Rc并没有实现字符串相关的方法，但是通过deref方法直接使用了其包裹对象的方法，使得智能指针在使用时被自动解引用，像是不存在一样。
Deref
实现自动解引用的关键是Deref，如果一个类型T实现了Deref，则该类型T的引用或者智能指针在应用的时候会被自动转换为类型U，这个特性被称为强制隐式转换。
Deref的内部实现源码如下：
#[lang = "deref"]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait Deref {
/// The resulting type after dereferencing.
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
type Target: ?Sized;
/// Dereferences the value.
#[must_use]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn deref(&self) -> &Self::Target;
}
#[lang = "deref_mut"]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait DerefMut: Deref {
/// Mutably dereferences the value.
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target;
}
DerefMut和Deref类似，区别是返回可变引用。
在明确Deref的原理之后，我们可以实现自定义的智能指针：
use std::ops::Deref;
struct MyBox<T>(T);
impl<T> MyBox<T> {
fn new(x: T) -> MyBox<T> {
MyBox(x)
}
}
impl<T> Deref for MyBox<T> {
type Target = T;
fn deref(&self) -> &T {
&self.0
}
}
fn boxprint(name: &str) {
println!("Hello {}", name);
}
fn main() {
let x = 2021;
let y = MyBox::new(x);
assert_eq!(2021, x);
assert_eq!(2021, *y);
let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
boxprint(&m);
}
Drop
智能指针可以通过实现Drop来自动执行清理工作，Drop内部实现如下：
#[lang = "drop"]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
pub trait Drop {
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
fn drop(&mut self);
}
示例如下：
use std::ops::Drop;
#[derive(Debug)]
struct S(i32);
impl Drop for S {
fn drop(&mut self) {
println!("drop {}", self.0);
}
}
fn main() {
let x = S(2018);
println!("create x: {:?}", x);
{
let y = S(2021);
println!("create y: {:?}", y);
}
}
结合Deref与Drop，就可以实现更加复杂的智能指针了。
总结
Rust的智能指针为编程提供了便利，关键特点就是实现了Drop和Deref这两个trait。其中，Deref trait提供了自动解引用的能力，让我们在使用智能指针时无需手动解析。Drop trait则提供了drop方法，在析构时会自动调用，用于实现自定义的清理工作。
在Rust中，Box<T>可以帮助我们在堆内存中分配对象，Rc<T>为我们提供了多次借用的能力。此外，Rust中常见的String和Vec也属于智能指针。
