Rust PhantomData（幽灵数据）

在编写非安全代码时，我们常常遇见这种情况：类型或生命周期逻辑上与一个结构体关联起来了，但是却不属于结构体的任何一个成员。这种情况对于生命周期尤为常见。比如，&'a [T]的Iter大概是这么定义的：

struct Iter<'a, T: 'a> {
    ptr: *const T,
    end: *const T,
}

但是，因为'a没有在结构体内被使用，它是无界的。由于一些历史原因，无界生命周期和类型禁止出现在结构体定义中。所以我们必须想办法在结构体内用到这些类型，这也是正确的变性检查和drop检查的必要条件。

我们使用一个特殊的标志类型PhantomData做到这一点。PhantomData不消耗存储空间，它只是模拟了某种类型的数据，以方便静态分析。这么做比显式地告诉类型系统你需要的变性更不容易出错，而且还能提供drop检查需要的信息。

Iter逻辑上包含一系列&'a T，所以我们用PhantomData这样去模拟它：

use std::marker;

struct Iter<'a, T: 'a> {
    ptr: *const T,
    end: *const T,
    _marker: marker::PhantomData<&'a T>,
}

就是这样，生命周期变得有界了，你的迭代器对于'a和T也可变了。一切尽如人意。

另一个重要的例子是Vec，它差不多是这么定义的：

struct Vec<T> {
    data: *const T, // *const是可变的！
    len: usize,
    cap: usize,
}

和之前的例子不同，这个定义已经满足我们的各种要求了。Vec的每一个泛型参数都被至少一个成员使用过了。非常完美！

你高兴的太早了。

Drop检查器会判断Vec<T>并不拥有T类型的值，然后它认为无需担心Vec在析构函数里能不能安全地销毁T，再然后它会允许人们创建不安全的Vec析构函数。

为了让drop检查器知道我们确实拥有T类型的值，也就是需要在销毁Vec的时候同时销毁T，我们需要添加一个额外的PhantomData：

use std::marker:

struct Vec<T> {
    data: *const T, // *const是可变的！
    len: usize,
    cap: usize,
    _marker: marker::PhantomData<T>,
}

让裸指针拥有数据是一个很普遍的设计，以至于标准库为它自己创造了一个叫Unique<T>的组件，它可以：

  • 封装一个*const T处理变性
  • 包含一个PhantomData
  • 自动实现Send/Sync，模拟和包含T时一样的行为
  • 将指针标记为NonZero以便空指针优化

 

PhantomData模式表

下表展示了各种牛X闪闪的PhantomData用法：

Phantom 类型 'a 'T
PhantomData<T> - 协变（可触发drop检查）
PhantomData<&'a T> 协变 协变
PhantomData<&'a mut T> 协变 不变
PhantomData<*const T> - 协变
PhantomData<*mut T> - 不变
PhantomData<fn(T)> - 逆变(*)
PhantomData<fn() -> T> - 协变
PhantomData<fn(T) -> T> - 不变
PhantomData<Cell<&'a ()>> 不变 -

(*)如果发生变性的冲突，这个是不变的

可变引用的Mutex属性在处理复合类型时能力非常有限。借用检查器只能理解一些简单的东西，而且极易失败。他对结构体还算是充分了解，知道结构体的成员可能被分别借用。所以这段代码现在可以正常工作：struct Foo { a ...