1 前言
如果你了解C/C++的话，应该对指针非常熟悉了。
指针是一种通用概念，用于表示一个变量，该变量中存储的是某个内存地址。
这个地址指向的是其他某些数据。在 Rust 中最常见的指针类型是引用（reference），引用通过 & 符号表示，它们借用了所指向的数据。引用本身没有任何特殊功能，仅用于指向数据，并且没有额外开销。
而所谓的智能指针，指的便是帮助我们更好的去使用指针的一种类型，你可以将其看作是对指针的一种封装，它可以帮我们记录关于指针的一切数据、并能准确知道它自己应该在合适去释放掉内存，从而减少使用纯指针可能出现的安全风险。
在 Rust 中，由于其所有权与借用的设计理念，引用与智能指针之间还有一个额外的区别：引用只会借用数据，而许多情况下智能指针会拥有它们所指向的数据。
事实上，我们之前的章节中就已经用过一些智能指针，比如最常见的String、Vec。
之所以说它们是智能指针，因为它们内部都指向一块内存，并允许我们对内存执行操作，并且我们不需要关心其内部内存的管理、比如何时去释放它们。
智能指针通常是通过结构体（struct）实现的。与普通结构体不同，智能指针实现了 Deref 和 Drop 这两个 trait。
其中Deref trait 允许智能指针像引用一样使用，因此你可以编写既适用于引用也适用于智能指针的代码。Drop trait 则允许你自定义在智能指针超出作用域时所运行的清理代码。在本章中，我们将讨论这两个 trait，并展示它们对智能指针为何重要。
由于智能指针模式是 Rust 中一种通用的设计模式，而且使用频率很高，因此本章不会涵盖所有现有的智能指针。许多第三方库中都有自定义的智能指针类型，甚至你也可以自己实现一个。我们将重点介绍标准库中最常见的智能指针类型：
Box：用于在堆上分配值Rc：一种引用计数类型，允许多个所有者Ref和RefMut：通过RefCell提供，它在运行时而非编译时强制借用规则
此外，我们还将介绍内部可变性（interior mutability）模式：即一个不可变类型通过提供 API 来允许修改其内部值。我们还会讨论引用循环的问题：它们如何导致内存泄漏，以及如何避免它们。
2 Box 用法
最直接的智能指针是 Box，其类型写作 Box<T>。Box 允许你将数据存储在堆上而不是栈上。栈上只保留一个指向堆数据的指针。
Box 本身没有额外的性能开销，同时它也没有太多额外的功能，平时开发中用的最多的场景如下：
- 当你有一个在编译时大小不确定的类型，并希望在需要确定大小的上下文中使用该类型的值；
- 当你有大量数据并想转移所有权，但又希望在转移过程中不发生数据复制；
- 当你想拥有一个值的所有权，并且你只关心该值是否实现了某个特定 trait，而不关心其具体类型时。
第一种情况出现的经典场景是递归。
第二种情况比较常见，相当于将原本在栈上的数据转移到堆上，此时就只需要复制少量的指针数据节约
第三种情况是所谓的 trait 对象，章节rust中Trait详解中对其有一些简单的介绍，比如一个函数可以接收实现了某个trait的对象，学习了本章之后，我们还可以通过Box实现。
2.1 在堆上存储数据
在讨论 Box 用于堆存储的用法之前，我们先介绍它的语法以及如何与 Box 中的值交互：
fn main() {
let b = Box::new(5);
println!("b = {b}");
}
上面的代码中，我们定义了变量 b，它的值是一个 Box，指向堆上分配的值 5，该程序将输出 b = 5。
在这个例子中，我们访问 Box 中的数据与访问栈上的数据没有任何区别，就像任何拥有所有权的值一样，当 Box 在作用域结束时，它将被释放。
释放过程既包括 Box（栈上存储）本身，也包括它指向的堆数据。
仅仅将一个值放在堆上并没有太大意义，因此你很少会单独这样使用 Box。在绝大多数情况下，将像 i32 这样的值直接放在默认的栈上会更合适，因为它太小了。
2.2 递归类型
所谓递归类型，指的是一个类型本身包含了另一个自己类型的值，这在 Rust 中是个严重的问题。
因为 Rust 需要在编译时知道一个类型所占的空间，然而递归类型的嵌套理论上可以无限进行，因此 Rust 无法确定其所需的空间大小。
但由于 Box 的大小是已知的（将其看作一个指针），因此我们就可以通过在递归类型定义中插入 Box 来使用递归类型。
一个简单的链表类型定义如下：
struct Node {
next: Node,
}
它的其中一个字段指向的是下一个节点，而这样做就会导致rust编译器无法知道这个结构体到底有多大，从而报错：
所以此时我们就需要用Box将其包裹起来，这样这个字段的大小就知道了：一个指针的大小，一般为8字节。
struct Node {
value:i32,
next: Box<Option<Node>>,
}
这里顺便还多包裹了一个Option类型，如果为None就代表这个链表的结束。
而且rust中一个很好的点就是，即使这样写，我们也能像正常使用Node这个类型，几乎可以完全忽视掉Box这个壳子：
比如上面代码中，我直接访问了next这个字段上的value值，而完全看不出有Box的存在，就像一个正常的Node类型一样。
之所以我们可以完全无感知的使用智能指针Box，原因就在于它实现了这个trait：Deref。
2.3 Deref trait
实现 Deref trait 的好处在于，它可以让我们自定义解引用操作符 *。
比如下面这个简单的代码：
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}
这是完全可以正常执行的，因为y是x的引用，然后后面使用了解引用符号*，所以解引用之后的*y实际上就是x。
可如果将解引用去掉，那么就会报错：
报错意识很明显，左边是数值、右边是数值的引用，由于我们没有为其实现相关的trait，导致两者没有可比性。
将上面代码中的&号更改为Box类型，除了它x的值将被拷贝到堆中、不再是x本身之外，其它都是一样的：
fn main() {
let x = 5;
let y = Box::new(x); //会在堆上分配内存将x拷贝过去
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}
为了能够更好的理解Box类型的原理，这里我们来自定义一个简单的MyBox：
struct MyBox<T>(T);
impl<T> MyBox<T> {
fn new(x: T) -> MyBox<T> {
MyBox(x)
}
}
我们定义了一个结构体 MyBox，它唯一的字段是一个元组值，并声明了泛型参数 T，使它可以容纳任意类型的值。
MyBox 是一个元组结构体，包含一个类型为 T 的字段。MyBox::new 函数接受一个类型为 T 的参数，并返回一个包装了该值的 MyBox 实例。
此时我们使用上面相同的代码，就会发现会报错：
原因就是我们没有为其实现Deref这个trait，导致其没有解引用的能力。
而实现的方式并不难：
use std::ops::Deref;
impl<T> Deref for MyBox<T> {
type Target = T;
fn deref(&self) -> &Self::Target {
&self.0
}
}
type Target = T; 定义了 Deref trait 所需的关联类型，这里暂时不必深入理解关联类型，简单来说就是自定义它要处理的类型，这里是泛型T，因为我们结构体使用的泛型。
deref 方法的实现体使用 &self.0，即返回元组结构体中第一个元素的引用。这意味着使用 * 解引用时会访问我们希望公开的内部值。
此时上面的代码就能够正常使用了，当使用解引用时，实际上就会调用这个函数拿到返回值：
在没有 Deref 的情况下，编译器只能解引用 & 引用。实现 deref 方法后，编译器可以将任意实现了 Deref 的类型转换为 & 引用，并执行解引用。
当写下 *y 时，Rust 实际上做了如下转换：
*(y.deref())
Rust 将 * 替换为 deref 方法调用后再进行解引用，这样我们无需显式地调用 deref 方法。
之所以 deref 返回的是引用而不是值本身，是因为 Rust 的所有权系统。
如果返回的是值，则意味着值会从 self 中移动出去，而我们通常并不想获取 MyBox<T> 内部值的所有权，仅需访问它。
注意，这种替换只发生一次，即每次使用 * 时最多替换一次，并不会无限递归。因此我们最终得到的是 i32 类型的数据，可以与 assert_eq! 中的 5 进行比较。
2.4 函数与方法中的隐式解引用
隐式解引用指的是将实现了 Deref trait 的类型的引用，自动转换为另一个类型的引用。例如，&String 可以自动转换为 &str，因为 String 实现了 Deref，其目标类型为 str。
这是 Rust 编译器在函数和方法调用时为我们自动执行的转换，仅适用于实现了 Deref 的类型。当我们传入一个类型的引用作为参数，但该参数类型不完全匹配时，编译器会自动调用一系列 deref 方法，将其转换为所需类型。
这个功能的目的是让我们编写函数/方法调用时，减少显式的 & 与 *，同时让代码对引用和智能指针都兼容。
比如下面这个简单的函数：
fn hello(name: &str) {
println!("Hello, {name}!");
}