Rust常用特型之Drop特型

Rust常用特型之Drop特型.md在Rust标准库中，存在很多常用的工具类特型，它们能帮助我们写出更具有Rust风格的代码。

今天，我们主要学习Drop特型。

（注：本文更多的是对《Programing Rust 2nd Edition》的自己翻译和理解，并不是原创）

一、什么是Drop

当一个值不再拥有owner时(在Rust中每个值都有一个owner，并且最多只有一个owner)，我们说Rust释放/清理(Drop)了该值。释放一个值通常意味着也需要一并释放它占用的其它资源，例如堆存储。释放可以发生在多种场合：例如变量超出作用域，表达式语句的结尾，截断一个向量并移除末尾的值等。

接下来的内容中，清理和释放表达的是同一个含义，均为drop的意思。

通常情况下，Rust会自动为你清理值。例如如下代码：

struct Appellation {
  name: String,
  nicknames: Vec<String>
}
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这里我们来复习一下Vec的有关知识。

一个Vec由三个值构成, 第一个值是指针，它指向在堆上为元素分配的缓冲区。 该缓冲区由Vec本身拥有。第二值是缓冲区的容量Cap。第三个值是当前元素的个数length。它是一个胖指针。当缓冲区的大小达到它的容量时，再增加元素会重新分配一个更大的缓冲区，并将原来的元素复制过去，同时更新向量的指针，容量和长度值，最后释放旧的缓冲区。

一个Appellation对象即包含了堆上的字符串内容（对应的name字段），又包含了堆上的向量元素缓冲区（对应nicknames字段）。当这个对象释放时，Rust会小心清理所有资源，并不需要你自己做任何处理。然而，如果你愿意，你也可以通过实现std::ops::Drop特型来自定义你的类型的清理方式这里为什么有个你的类型呢？因为Rust不允许特型和类型都是外部的，必须有一个是本地的。此时Drop特型已经是外来的（相对于你的代码），因此类型必须是本地定义的。

Drop特型的定义为:

trait Drop {
  fn drop(&mut self);
}
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个人理解，未必正确

我们可以看到，该特型仅有一个drop函数，注意它的参数类型是&mut，因为我们要做相关清理工作，因此必须是可变的。如果参数是mut self会怎么样？那么相当于值转移到本函数中了，在本函数处理完毕后该值的owner就不存在了，此时又到了调用drop的场景，从而形成无限循环，所以参数类型必定为&mut。

二、Drop特型的实现

当一个值被清理时，如果它实现了Drop特型，那么Rust会自动调用它的drop方法。该调用发生在清理它的内部元素或者字段之前。这说明用户自定义的drop函数有第一优先权。当然这种隐匿调用也是调用drop函数的唯一方式，如果你手动调用它，那么Rust会标记为一个错误。

这里也印证了上面提到的drop函数的参数类型&mut，因为发生在清理它的内部元素之前，所以该值在此时必须保留，所以不能是mut self。也正因为如此，这个值一定是初始化过的（应该是变量初始化过）。

上面Appellation类型的一个示例Drop实现代码为:

impl Drop for Appellation {
  fn drop(&mut self) {
    print!("Dropping {}", self.name);
    if !self.nicknames.is_empty() {
    	print!(" (AKA {})", self.nicknames.join(", "));
    }
    println!("");
  }
}
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假定实现为上述代码，那么我们可以接下来写一段测试代码：

{
  let mut a = Appellation {
    name: "Zeus".to_string(),
    nicknames: vec!["cloud collector".to_string(),
    "king of the gods".to_string()]
  };
  println!("before assignment");
  a = Appellation { name: "Hera".to_string(), nicknames: vec![]};
  println!("at end of block");
}
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那么运行得到的结果是什么呢？我们一行一行来分析代码：

• 1-6行，定义了一个类型为 Appellation 的mut变量a ,它的值在定义时已经初始化了
• 第7行，打印开始重新赋值信息before assignment并换行。
• 第8行，将a重新赋值，此时a原来的值被抛弃了，没有owner了，因此符合清理的条件，Rust会自动对其进行清理，在该值上调用drop函数
• drop函数首先打印值的name，这里应该是Dropping Zeus。注意这里是print!，未换行。
• 接下来，因为nicknames不为空，将它的元素使用,连接起来，所以应该为 (AKA cloud collector,king of the gods)。注意这里是print!，未换行，因此是接在Dropping Zeus之后。
• 接下来println!("");目的是产生换行。
• drop函数调用完毕，接下来回到示例代码第9行，打印at end of block。
• 第10行，示例代码结束，变量a超过作用域，在此释放，也会调用其drop函数。
• 再次回到drop函数，打印对象名称，此时应该为Dropping Hera。
• 因为第二个Appellation值的nicknames字段为空向量，所以不再打印AKA相关。
• 再次换行。

最终输出结果为:

before assignment
Dropping Zeus (AKA cloud collector, king of the gods)
at end of block
Dropping Hera
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上面的代码中，类型为Appellation的变量a前后有两个不同的值，因此触发了两次清理。第一次清理发生在重新赋值时，此时第一个值被抛弃，变成了无owner，所以触发清理。第二次发生在代码块结束 ，此时a超出作用域，也触发清理。

可以看到，我们的清理并没有清除掉内部元素占用的资源，这是Rust会在接下来自动处理的，我们的工作主要是作一些额外的处理。

针对这个问题，书中已经给了明确答案。Rust自动清理内部元素，而内部元素也会自动清理自己。例如Vec类型也实现了Drop特型，它会清理掉它的内部元素并释放它占用的堆上的缓冲区。字符串内部使用Vec来保存它的文本，因此字符串并不需要自己实现Drop特型（Vec实现了就可以），向量本身来处理这些字符的释放。相同的原则应用于Appellation值，向量的Drop实现会自动释放它的元素。对于 Appellation值本身，它也有一个owner，它可以是本地临时变量或者某些数据结构，这个变量对释放它负责。

注意：

当一个变量的值被移走时，该变量就是未初始化的，因此在超过作用域时并不会触发drop，没有值需要清理。切记，清理的是值不是变量。

下面的一段代码：

let p;
  {
  let q = Appellation { name: "Cardamine hirsuta".to_string(),
  			nicknames: vec!["shotweed".to_string(),"bittercress".to_string()] };
  if complicated_condition() {
  	p = q;
  }
}
println!("Sproing! What was that?");
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根据complicated_condition返回值的不同，p或者q其中的一个在代码结束时会拥有这个Appellation值，另一个变量是未初始化。这也决定了他们是在最后的println!之前还是之后drop（这是因为q的作用域在println!之前结束而p的作用域在这之后结束）。虽然在Rust中一个值可以从一个变量移到另一个变量，但是只会清理一次。

通常情况下，你不需要给自己定义的类型实现Drop特型，除非它拥有了Rust所不能自动处理的资源。例如，在Unix系统中，Rust标准为使用如下的内部结构来代表操作系统文件描述：

struct FileDesc {
  fd: c_int,
}
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其中fd字段代表的文件描述数字在程序结束的时候应该关掉。标准库因此为之实现了Drop特型来关掉它。

impl Drop for FileDesc {
  fn drop(&mut self) {
    let _ = unsafe { libc::close(self.fd) };
  }
}
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这里，libc::close是C语言库的close函数的Rust名字，Rust只能在unsafe代码块中调用C语言的函数。

知识点：

如果一个类型实现了Drop特型，那么它不能再实现Copy特型。如果一个类型是Copy类型，那么意味着简单的字节复制就够了，这样可能会导致两个变量会拥有同一块数据。但是如果两个变量都面临清理时，相同的数据就会清理两次，这是一个错误。就好像上面的FileDesc例子，如果它实现了Copy特型，那么另一个变量也会关闭相同的fd数字，显然这是一个错误。

进一步思考，如果把Copy换成Clone呢？经过测试是没有问题的。

use std::ops::Drop;
// A unit struct without resources
#[derive(Debug, Clone)]
struct Unit;

impl Drop for Unit {
    fn drop(&mut self) {
        println!("in drop");
    }
}

fn main() {
    let a = Unit;
    let b = a.clone();
    println!("over:{:?}",b);
}
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运行结果为:

over:Unit
in drop
in drop
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有人说那如果把FileDesc设计为实现Clone特型不一样么？其实还真不一样，因为fd字段的排它性，所以把它设计为Clone是错误的。只有可以复制的资源才能设计为实现Clone特型，这个问题其实是Clone特型的设计问题了，而不是Drop特型的问题。

有人说如果两个变量都包含对同一块数据的引用，那么是不是清理两次呢？显然不是，引用不拥有值，不会触发清理。

标准前置还包含了一个drip函数用来清理一个值，但是它的定义相当魔幻：

fn drop<T>(_x: T) { }
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从代码中可以看出，它接收一个值并且获得了该值的owner。在函数结束时_x超出了作用域而会被Rust正常的清理掉。这里只是提供了一个便利功能，并不是手动调用值的drop函数。