第 9 章：智能指针与内存模型

示例：examples/ch09_smart_pointers

学习目标

• 理解 Box / Rc / Arc / RefCell / Mutex
• 会在 Web 状态共享中选择正确容器
• 知道 unsafe 的边界心态

9.1 Box<T>：堆分配

let b = Box::new(5);

用途：

• 递归类型（如链表/树）
• 大对象避免栈上拷贝
• trait 对象：Box<dyn Error>

9.2 Rc / Arc：共享所有权

• Rc：单线程引用计数
• Arc：原子引用计数，可跨线程

use std::sync::Arc;

let config = Arc::new(String::from("prod"));
let c1 = Arc::clone(&config);
let c2 = Arc::clone(&config);

Axum 的 State 几乎总是 Arc<AppState>。

9.3 内部可变性：RefCell / Mutex

共享但还想改：

场景	工具
单线程	Rc<RefCell<T>>
多线程/异步	Arc<Mutex<T>> / Arc<RwLock<T>>
异步锁优先	tokio::sync::Mutex（跨 .await 时）

use std::sync::{Arc, Mutex};

let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
{
    let mut guard = counter.lock().unwrap();
    *guard += 1;
}

注意：锁粒度要小，避免持锁做 IO。

9.4 Weak 打破循环

Rc 循环引用会导致内存泄露；父子图结构常用 Weak。

9.5 Web 状态模板

use std::sync::Arc;
use tokio::sync::RwLock;
use std::collections::HashMap;

#[derive(Clone)]
struct AppState {
    todos: Arc<RwLock<HashMap<u64, String>>>,
}

只读多、写少：RwLock；写冲突高：考虑 DB/消息队列，不只靠内存锁。

9.6 unsafe 心态

你可以写完整后端而几乎不碰 unsafe。

只有在以下情况才认真考虑：

• FFI
• 极致性能数据结构
• 编译器无法证明但你能证明的不变式

规则：把 unsafe 关进最小模块，用安全 API 包起来，并写清楚安全不变量。

9.7 全局惰性初始化：优先 LazyLock

老代码常见 lazy_static! / once_cell。1.97 时代后端配置/客户端单例优先标准库：

use std::sync::LazyLock;

static APP_ENV: LazyLock<String> = LazyLock::new(|| {
    std::env::var("APP_ENV").unwrap_or_else(|_| "dev".into())
});

适合：进程级只读配置、正则、HTTP client 模板。
不适合：请求级状态（仍放 AppState / 连接池）。

运行示例

cargo run -p ch09_smart_pointers

本章小结

• Box<T> 做堆分配：递归类型、大对象、trait 对象
• Rc 是单线程引用计数，Arc 是原子引用计数可跨线程；Axum State 几乎总是 Arc<AppState>
• 内部可变性按场景选：单线程 Rc<RefCell<T>>，多线程 Arc<Mutex<T>> / Arc<RwLock<T>>，跨 .await 用 tokio::sync::Mutex
• 锁粒度要小，避免持锁做 IO
• Rc 循环引用会泄露内存，父子结构用 Weak 打破
• 后端几乎不需要 unsafe；真要用就关进最小模块并写清安全不变量
• 进程级只读单例优先标准库 LazyLock；lazy_static!/once_cell 是老代码的常见写法

自测清单

• [ ] 我能说出 Rc 和 Arc 的适用场景差异
• [ ] 我能解释为什么共享可变状态需要 RefCell 或 Mutex 配合
• [ ] 我能说出跨 .await 持锁时该选哪种 Mutex
• [ ] 我能解释 Weak 解决了什么问题
• [ ] 我能判断一个全局配置该用 LazyLock 还是放进 AppState

练习

1. 用 Arc<Mutex<u64>> 实现多线程计数。
2. 比较 Mutex 与 RwLock 在读多写下的语义差异（文字即可）。
3. 设计 AppState，包含配置（只读）与缓存（可写）。

动手做题：打开 examples/ch09_smart_pointers/src/exercises.rs，把 todo!() 换成你的实现。三道题分别对应：parallel_count（Arc+Mutex 并发计数）、list_sum（Box 递归链表求和）、AppState（Rc+RefCell 内部可变性缓存）。

cd examples
cargo test -p ch09_smart_pointers -- --ignored   # 自动判题（没做完时失败是预期的）

全部通过后对照参考答案 src/solutions.rs（默认随 cargo test 验证，答案保证可靠）。

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