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Rust 语言内存管理小记 😭

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概述

  • std::mem::forget：该函数用于“忘记”给定的值，即在不运行该值的析构函数的情况下释放该值的所有权。
  • Box::leak：该函数可以将 Box 包装的变量转换为静态变量，从而延长变量的生命周期。
  • std::cell::RefCell：可以在运行时动态地检查和修改数据，非线程安全。
  • std::rc::Rc：可在多个线程间共享变量，但需要注意线程安全问题。
  • std::sync::Arc：Arc：Rc 的线程安全版本。

Forget

std::mem::forget 是一个函数，它用于“忘记”给定的值。这个函数接受一个类型为 T 的值作为参数，并在不运行该值的析构函数的情况下释放该值的所有权（回收变量占用的空间）。这意味着，如果一个值被传递给 std::mem::forget 函数，它将不会被释放，并可能导致内存泄漏或其他问题。

当底层资源的所有权先前被转移到 Rust 之外的代码，例如通过将原始文件描述符传输到 C 代码时，这很有用。

示例

 1use std::mem;
 2
 3struct MyType {
 4    value: i32,
 5}
 6
 7impl Drop for MyType {
 8    fn drop(&mut self) {
 9        println!("Dropping MyType({})", self.value);
10    }
11}
12
13fn main() {
14    let my_value = MyType { value: 42 };
15
16    // 忘记 my_value 的所有权
17    mem::forget(my_value);
18
19    println!("The program is still running");
20}

在这个例子中，定义了一个名为 MyType 的结构体，它包含一个 value 字段并实现了 Drop trait。Drop trait 的实现在值被释放时打印一条消息。在 main 函数中，我们创建一个 MyType 的值，并使用 std::mem::forget 函数来忘记它的所有权。这意味着在程序运行期间，该值的 Drop 实现不会被调用，即使该值已经离开了它的作用域。因此，在该程序中，我们只会看到打印的第一条消息，“Dropping MyType(42)” 不会被打印。

Leak

Box::leak 是一个 unsafe 函数，用于将 Box 中的值 泄漏 到堆上，以将其变为 静态生命周期。它的函数声明如下：

1pub fn leak<T: ?Sized>(b: Box<T>) -> &'static mut T

其会获取一个 Box<T>，并返回一个指向堆上分配的 T 的 &'static mut T 指针。注意，其返回的是一个 静态生命周期 的引用。

示例

1fn main() {
2    let x = Box::new(10);
3    let p = Box::leak(x);
4    assert_eq!(*p, 10);
5    
6    // p 在程序结束前不会释放内存
7}

在这个例子中，我们将 Box<i32> 类型的 x 变量传递给 Box::leak 函数，其返回一个指向静态生命周期的 i32 类型的指针的引用。

RefCell

RefCell 实现了 内部可变性（Interior Mutability），它允许在不可变引用的前提下改变值，这是通过运行时的借用检查来实现的。它是在运行时检查可变性（而不是在编译时），这样可以更灵活地控制可变性，并且可以在必要的时候避免复制数据。

RefCell 类似于一个容器，可以通过 borrow 方法获得一个可变引用或者一个不可变引用。获取可变引用后，可以改变容器中的值，但是如果同一时间存在其他的引用，它们将不再是有效的引用，这时候程序将 panic。

示例

1use std::cell::RefCell;
2
3let x = RefCell::new(42);
4let y = x.borrow(); // 获取一个不可变引用
5let mut z = x.borrow_mut(); // 获取一个可变引用
6
7*z = 13; // 改变容器中的值

本文番外章节中，有介绍到它的亲戚 Cell，闲时可以了解一下。

RC & ARC

RC 是 Rust 中的引用计数指针，它允许多个所有权持有者共享同一个值，并在没有任何所有权持有者时自动释放它。但是，RC 只能用于单线程环境，因为它不能保证并发操作的安全性。当有一个新的所有权持有者时，RC 会增加计数器，当计数器为零时，它将释放指向堆上数据的内存。

Arc 是 Rust 中的原子引用计数指针，与 RC 基本相同。主要的差异是 Arc 是线程安全的，即可以在不同的线程之间安全地共享数据。性能方面，Arc 比 RC 慢，因为它需要原子性地增加和减少计数器，以确保并发访问时的安全性。

RC 和 ARC 都是可变的，这意味着它们可以修改内部值。不当使用 Arc 和 RC 可能会导致循环引用，务必小心。

Cell

std::cell::Cell 是一个提供了内部可变性的类型。它允许你在不可变变量内部修改值，但是其限制了这个值的访问范围。具体来说，Cell 中的值可以被修改，但只能通过方法调用来访问。

Cell 通常用于一些需要在不可变变量中存储可变状态的情况，例如在多线程编程中。它的方法包括：

  • get：获取 Cell 中的值的不可变引用；
  • set：将 Cell 中的值设置为新的值；
  • replace：将 Cell 中的值替换为新值，并返回旧的值；
  • take：将 Cell 中的值替换为默认值，并返回旧的值；
  • into_inner：将 Cell 中的值移出 Cell 并返回它。

需要注意的是，Cell 中存储的值必须实现 Copy trait，这意味着它们必须是可以复制的类型，例如整数、浮点数和指针类型。如果需要存储的值不支持 Copy trait，可以考虑使用 RefCell 或 Mutex 等类型来实现内部可变性。

番外

内部可变性

实现了内部可变性的有 Cell、RefCell、Mutex 等，此处就不一一列举了。

终末

有兴趣的话，可以去了解一下 lazy_static 和 static_cell 这两个包，也蛮有意思的。