昨天学习了Rust中与借用数据相关的三个trait: Borrow, BorrowMutToOwned。 理解了这三个trait之后,今天来学习Rust中能够实现写时克隆的智能指针Cow<'a B>

1.Cow的定义

Cow是Rust提供的用于实现写时克隆(Clone on write)的智能指针。

Cow的定义如下:

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pub enum Cow<'a, B> 
where
    B: 'a + ToOwned + ?Sized, 
 {
    Borrowed(&'a B),
    Owned(<B as ToOwned>::Owned),
}

从Cow的定义看,它是一个enum,包含一个对类型B的只读引用,或者包含一个拥有类型B的所有权的数据。 使用Cow使我们在返回数据时提供了两种可能: 要么返回一个借用的数据(只读),要么返回一个拥有所有权的数据(可读写)。

Cow trait的泛型参数约束比较复杂,下面详细介绍一下:

  • pub enum Cow<'a, B>中的'a是生命周期标注,表示Cow是一个包含引用的enum。泛型参数B需要满足'a + ToOwned + ?Sized。即当Cow内部类型B的生命周期为’a时,Cow自己的生命周期也是’a。
  • 泛型参数B除了生命周期注解’a外,还有ToOwned?Sized两个约束
  • ?Sized表示B是可变大小类型
  • ToOwned表示可以把借用的B数据克隆出一个拥有所有权的数据
  • 这个enum里的Borrowed(&'a B)表示返回借用数据是B类型的引用,引用的生命周期为’a
  • 因为B满足ToOwned trait,所以Owned(<B as ToOwned>::Owned)中的<B as ToOwned>::Owned表示把B强制转换成ToOwned,并访问ToOwned内部的关联类型Owned

2.智能指针Cow

了解了Cow这个用于写时克隆的智能指针的定义,它在定义上是一个枚举类型,有两个可选值:

  • Borrowed用来包裹对象的引用
  • Owned用来包裹对象的所有者

下面从智能指针的角度来学习Cow。

在开始学习之前,先回顾一下智能指针的特征:

  • 大多数情况下智能指针具有它所指向数据的所有权
  • 智能指针是一种数据结构,一般使用结构体实现
  • 智能指针数据类型的显著特征是实现Deref和Drop trait

当然,上面智能指针的特征都不是强制的,我们来看一下Cow做为智能指针是否有上面的这些特征:

  • Cow枚举的Owned的可选值,可以返回一个拥有所有权的数据
  • Cow作为智能指针在定义上是使用枚举类型实现的
  • Cow实现的Deref trait,Cow没有实现Drop trait

我们知道,如果一个类型实现了Deref trait,那么就可以将类型当做常规引用类型使用。

下面是Cow对Deref trait的实现:

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impl<B: ?Sized + ToOwned> const Deref for Cow<'_, B>
where
    B::Owned: ~const Borrow<B>,
{
    type Target = B;

    fn deref(&self) -> &B {
        match *self {
            Borrowed(borrowed) => borrowed,
            Owned(ref owned) => owned.borrow(),
        }
    }
}

在实现上很简单,match表达式中根据self是Borrowed还是Owned,分别取其内容,然后生成引用:

  • 对于Borrowed选项,其内容就是引用
  • 对于Owned选项,其内容是泛型参数B实现ToOwned中的关联类型Owned,而Owned是实现Borrow trait的,所以owned.borrow()可以获得引用

Cow<'a, B>通过对Deref trait的实现,就变得很厉害了,因为智能指针通过Deref的实现就可以获得常规引用的使用体验。 对Cow<'a, B>的使用,在体验上和直接&B基本上时一致的。

通过函数或方法传参时Deref强制转换(Deref coercion)功能,可以使用Cow<'a, B>直接调用B的不可变引用方法(&self)。

例1:

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use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let hello = "hello world";
    let c = Cow::Borrowed(hello);
    println!("{}", c.starts_with("hello"));
}

例1中变量c使用Cow包裹了一个&str引用,随后直接调用了str的start_with方法。

3.Cow的方法

接下来看一下智能指针Cow都提供了哪些方法供我们使用。

pub fn into_owned(self) -> <B as ToOwned>::Owned: into_owned方法用于抽取Cow所包裹类型B的所有者权的数据,如果它还没有所有权数据将会克隆一份。 在一个Cow::Borrowed上调用into_owned,会克隆底层数据并成为Cow::Owned。在一个Cow::Owned上调用into_owned不会发生克隆操作。

例2:

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use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let s = "Hello world!";

    // 在一个`Cow::Borrowed`上调用`into_owned`,会克隆底层数据并成为`Cow::Owned`。
    let cow1 = Cow::Borrowed(s);

    assert_eq!(cow1.into_owned(), String::from(s));

    // 在一个`Cow::Owned`上调用into_owned不会发生克隆操作。
    let cow2: Cow<str> = Cow::Owned(String::from(s));

    assert_eq!(cow2.into_owned(), String::from(s));
}

pub fn to_mut(&mut self) -> &mut <B as ToOwned>::Owned: 从Cow所包裹类型B的所有者权的数据获得一个可变引用,如果它还没有所有权数据将会克隆一份再返回其可变引用。

例3:

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use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let mut cow = Cow::Borrowed("foo");
    cow.to_mut().make_ascii_uppercase();

    assert_eq!(cow, Cow::Owned(String::from("FOO")) as Cow<str>);
}

关于Cow的这2个方法:

  • 调用to_mut()方法可以得到一个具有所有权的值的可变引用,注意在已经具有所有权的情况下,也可以调用to_mut但不会产生新的克隆,多次调用to_mut只会产生一次克隆
  • 调用into_owned()方法可以得到具有所有权的值,如果之前Cow是Borrowed借用状态,调用into_owned将会克隆,如果已经是Owned状态,将不会克隆

4.Cow的使用场景

使用Cow主要用来减少内存的分配和复制,因为绝大多数的场景都是读多写少。使用Cow可以在需要些的时候才做一次内存复制,这样就很大程度减少了内存复制次数。

先来看官方文档中的例子。

例4:

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use std::borrow::Cow;

fn main() {
    fn abs_all(input: &mut Cow<[i32]>) {
        for i in 0..input.len() {
            let v = input[i];
            if v < 0 {
                // Clones into a vector if not already owned.
                input.to_mut()[i] = -v;
            }
        }
    }

    // No clone occurs because `input` doesn't need to be mutated.
    let slice = [0, 1, 2];
    let mut input = Cow::from(&slice[..]);
    abs_all(&mut input);

    // Clone occurs because `input` needs to be mutated.
    let slice = [-1, 0, 1];
    let mut input = Cow::from(&slice[..]);
    abs_all(&mut input);

    // No clone occurs because `input` is already owned.
    let mut input = Cow::from(vec![-1, 0, 1]);
    abs_all(&mut input);
}

最后再来看一下例子。

例5:

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use std::borrow::Cow;

const SENSITIVE_WORD: &str = "bad";

fn remove_sensitive_word<'a>(words: &'a str) -> Cow<'a, str> {
    if words.contains(SENSITIVE_WORD) {
        Cow::Owned(words.replace(SENSITIVE_WORD, ""))
    } else {
        Cow::Borrowed(words)
    }
}

fn remove_sensitive_word_old(words: &str) -> String {
    if words.contains(SENSITIVE_WORD) {
        words.replace(SENSITIVE_WORD, "")
    } else {
        words.to_owned()
    }
}

fn main() {
    let words = "I'm a bad boy.";
    let new_words = remove_sensitive_word(words);
    println!("{}", new_words);

    let new_words = remove_sensitive_word_old(words);
    println!("{}", new_words);
}

例5的需求是实现一个字符串敏感词替换函数,从给定的字符串替换掉预制的敏感词。

例子中给出了remove_sensitive_wordremove_sensitive_word_old两种实现,前者的返回值使用了Cow,后者返回值使用的是String。 仔细分析一下,很明显前者的实现效率更高。因为如果输入的字符串中没有敏感词时,前者Cow::Borrowed(words)不会发生堆内存的分配和拷贝,后者words.to_owned()会发生一次堆内存的分配和拷贝。

试想一下,如果例5的敏感词替换场景,是大多数情况下都不会发生替换的,即读多写少的场景,remove_sensitive_word实现中使用Cow作为返回值就在很多程度上提高了系统的效率。

5.总结

在设计和编写Rust代码时,使用Cow可以实现在需要时才进行内存的分配和拷贝,在读多写少的场景下,可以减少堆内存分配次数,很大程度提高系统的效率。

参考