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2026-10-16
1515
5.8m

第 15 章：智能指针 ​

本章目标：理解智能指针如何拥有堆数据、提供引用式访问、共享所有权，以及为何内部可变性和引用计数需要谨慎使用。

Box<T>：在堆上存储数据 ​

Box<T> 在堆上分配值，并在离开作用域时释放。它适合大型值、需要固定大小表示的递归类型，或需要把值放在堆上的场景。

rust
enum List {
    Cons(i32, Box<List>),
    Nil,
}

use List::{Cons, Nil};
let list = Cons(1, Box::new(Cons(2, Box::new(Cons(3, Box::new(Nil))))));

递归枚举若直接嵌套自身会导致大小无法确定；Box 提供已知大小的指针间接层。普通引用只借用数据，Box 则拥有其指向的值。单一所有者默认优先使用普通值或 Box，只有确实需要共享时才引入引用计数。

智能指针如何像普通引用一样使用 ​

实现 Deref 的类型可像引用一样解引用，Rust 也会在适用时进行解引用强制转换。Box<T> 因而能自然地访问内部值。不要把强制转换理解为所有权转移：它主要是引用类型之间的便利转换。

rust
use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(value: T) -> Self { Self(value) }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;
    fn deref(&self) -> &Self::Target { &self.0 }
}

let value = MyBox::new(String::from("Rust"));
assert_eq!(value.len(), 4);

Deref 强制转换会在调用点自动插入所需的解引用次数，并可在某些场景把 &String 转为 &str。实现 DerefMut 后还可支持可变目标转换；只有语义确实像透明指针时才实现这些 Trait，否则自动强制转换会让代码行为难以追踪。

用 Drop Trait 在清理时运行代码 ​

Drop Trait 允许类型在值离开作用域时执行清理逻辑。Rust 按作用域结束顺序清理局部变量，通常是后创建者先清理。std::mem::drop(value) 可提前结束值的生命周期；不能直接调用 value.drop()，因为析构由语言负责调度。

自定义 Drop 可用于管理值以外的资源，但文件、锁和网络连接等标准库类型通常已经实现了清理逻辑。需要自定义资源类型时，应确保析构不 panic，并避免依赖不明确的析构顺序。

Rc<T>：引用计数智能指针 ​

当多个部分需要共同拥有同一份不可变数据时，Rc<T> 使用引用计数管理生命周期。克隆 Rc 会增加计数而不是复制底层数据：

rust
use std::rc::Rc;

let value = Rc::new(String::from("shared"));
let another = Rc::clone(&value);
assert_eq!(Rc::strong_count(&value), 2);
drop(another);
assert_eq!(Rc::strong_count(&value), 1);

最后一个强引用离开作用域时，数据才会被释放。Rc 不是线程安全的；跨线程共享应考虑 Arc<T>。Rc<T> 本身只提供共享所有权，不能直接修改内部值。链表或图等多个节点共同拥有同一节点的结构，是它比普通所有权更合适的场景。

RefCell<T> 与内部可变性 ​

RefCell<T> 在运行时检查借用规则，允许通过不可变外层绑定修改内部值。borrow() 返回 Ref<T>，borrow_mut() 返回 RefMut<T>；借用守卫离开作用域时，相应借用结束。若运行时违反“多个共享借用或一个可变借用”的规则，会 panic。它适合编译期无法表达、但程序逻辑能保证的单线程场景，不能替代多线程同步原语。

测试替身可以实现生产代码要求的 Trait，并把调用记录写入 RefCell<Vec<_>>。例如 Messenger Trait 的测试实现可在 send 时保存消息，再断言发送次数和内容；测试不必连接真实邮件或消息服务。这体现内部可变性的用途，也提醒我们冲突借用风险从编译期移到了运行时。

Rc<RefCell<T>> 组合共享所有权和内部可变性：多个所有者共享同一个 RefCell，并能在运行时修改其中的数据。这个组合灵活但更难推理，应缩小可变状态范围并避免长期保存借用守卫。

引用环会造成内存泄漏 ​

若两个 Rc 值互相持有对方，强引用计数就永远不会归零，内存无法释放。Rust 保证内存安全，但不会自动检测或回收这种逻辑上的引用环。

Rc::downgrade 创建 Weak<T>，不增加强引用计数。使用前要调用 upgrade，它返回 Option<Rc<T>>，因为被引用值可能已经释放。树结构常让父节点通过 Rc 拥有子节点、子节点通过 Weak 指回父节点：拥有方向用强引用，观察方向用弱引用。

rust
use std::{cell::RefCell, rc::{Rc, Weak}};

struct Node {
    parent: RefCell<Weak<Node>>,
    children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

let leaf = Rc::new(Node {
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![]),
});
let branch = Rc::new(Node {
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
});
*leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
assert!(leaf.parent.borrow().upgrade().is_some());

Weak 的 upgrade 返回 None 是正常状态，调用方必须处理。设计共享图结构时，先画清楚谁拥有谁，再决定强引用和弱引用方向。

小结与练习 ​

  • Box<T> 提供堆分配，Rc<T> 共享单线程所有权，RefCell<T> 将借用检查移到运行时。
  • Deref 与 Drop 支持引用式访问和清理；Weak<T> 可打断强引用环。
  • 练习：观察 Rc 强引用计数在克隆和离开作用域后的变化；使用父子节点实现 Rc/Weak 关系，并检查父节点释放后 upgrade 的结果。

再练习：实现一个带 Drop 输出的小类型以观察清理顺序；用 MyBox<T> 实现 Deref；实现一个使用 RefCell 记录 Trait 调用的测试替身。

下一章：无畏并发。

官方对应章节：Smart Pointers。