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深入Rust标准库：必备的Rust语言高级指南

作译者：任成珺等

出版时间：2024-04 千字数：577 版次：01-01 页数：448

开本：16开装帧： I S B N ：9787121475863

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目录
第1 章 Rust 标准库体系概述 ....................................................................................... 1
1.1 CORE 库 ............................................................................................................................ 2
1.2 ALLOC 库 ......................................................................................................................... 3
1.3 STD 库 ............................................................................................................................... 4
1.4 回顾 ................................................................................................................................... 4
第2 章 Rust 特征小议 .................................................................................................. 5
2.1 泛型小议 ........................................................................................................................... 6
2.1.1 基于泛型的函数及Trait ...................................................................................... 6
2.1.2 泛型约束的层次 ................................................................................................... 6
2.2 Rust 内存安全杂述 ........................................................................................................... 7
2.3 获取封装类型变量的内部变量 ........................................................................................ 9
2.3.1 使用“?”运算符解封装 ..................................................................................... 9
2.3.2 函数调用+自动解引用 ....................................................................................... 10
2.3.3 采用闭包 ............................................................................................................. 10
2.3.4 获取引用 ............................................................................................................. 11
2.3.5 获取所有权 ......................................................................................................... 11
2.4 回顾 ................................................................................................................................. 12
第3 章 内存操作 ........................................................................................................ 13
3.1 裸指针——不安全的根源 .............................................................................................. 15
3.1.1 裸指针具体实现 ................................................................................................. 16
3.1.2 固有模块裸指针关联函数 ................................................................................. 18
3.1.3 裸指针操作 ......................................................................................................... 19
3.1.4 裸指针番外 ......................................................................................................... 22
3.2 MaybeUninit＜T＞——未初始化变量方案...................................................................... 23
VIII∣深入Rust 标准库：必备的Rust 语言高级指南
3.2.1 MaybeUninit＜T＞定义 ......................................................................................... 23
3.2.2 ManuallyDrop＜T＞定义 ...................................................................................... 24
3.2.3 MaybeUninit＜T＞构造函数 ................................................................................. 25
3.2.4 MaybeUninit＜T＞初始化函数 ............................................................................. 26
3.2.5 MaybeUninit＜T＞数组类型操作 ......................................................................... 27
3.2.6 典型案例 ............................................................................................................. 28
3.3 裸指针再论 ..................................................................................................................... 29
3.4 非空裸指针——NonNull＜T＞ ......................................................................................... 30
3.4.1 构造关联函数 ..................................................................................................... 31
3.4.2 类型转换函数 ..................................................................................................... 32
3.4.3 其他函数 ............................................................................................................. 32
3.5 智能指针的基座——Unique＜T＞ ................................................................................... 33
3.6 mem 模块函数 ................................................................................................................ 34
3.6.1 构造泛型变量函数 ............................................................................................. 34
3.6.2 泛型变量所有权转移函数 ................................................................................. 34
3.6.3 其他函数 ............................................................................................................. 36
3.7 动态内存申请及释放 ..................................................................................................... 36
3.7.1 内存布局 ............................................................................................................. 36
3.7.2 动态内存申请与释放接口 ................................................................................. 38
3.8 全局变量内存探讨 ......................................................................................................... 42
3.9 drop 总结 ......................................................................................................................... 43
3.10 Rust 所有权、生命周期、借用探讨 ........................................................................... 44
3.11 回顾 ............................................................................................................................... 47
第4 章 基本类型及基本Trait ..................................................................................... 48
4.1 固有函数库 ..................................................................................................................... 49
4.1.1 原子操作函数 ..................................................................................................... 49
4.1.2 数学函数及位操作函数 ..................................................................................... 49
4.1.3 指令预取优化函数、断言类函数及栈获取函数 ............................................. 49
4.2 基本类型分析 ................................................................................................................. 49
4.2.1 整数类型 ............................................................................................................. 50
目录∣IX
4.2.2 浮点类型 ............................................................................................................. 53
4.2.3 Option＜T＞类型 ................................................................................................... 54
4.2.4 引用类型match 语法研究 ................................................................................. 59
4.2.5 Result＜T,E＞类型 ................................................................................................ 60
4.3 基本Trait ......................................................................................................................... 64
4.3.1 编译器内置Marker Trait .................................................................................... 64
4.3.2 算术运算符Trait ................................................................................................ 67
4.3.3 “?”运算符Trait .............................................................................................. 74
4.3.4 范围运算符Trait ................................................................................................ 76
4.3.5 索引运算符Trait ................................................................................................ 78
4.4 回顾 ................................................................................................................................. 83
第5 章 迭代器 ............................................................................................................ 84
5.1 三种迭代器 ..................................................................................................................... 85
5.2 Iterator Trait 分析 ............................................................................................................ 86
5.3 Iterator 与其他集合类型转换 ......................................................................................... 89
5.4 范围类型迭代器 ............................................................................................................. 90
5.5 切片类型迭代器 ............................................................................................................. 93
5.6 字符串类型迭代器 ......................................................................................................... 98
5.7 数组类型迭代器 ............................................................................................................. 99
5.7.1 成员本身迭代器 ................................................................................................. 99
5.7.2 成员引用迭代器 ............................................................................................... 101
5.8 Iterator 适配器 ............................................................................................................... 102
5.8.1 Map 适配器 ...................................................................................................... 102
5.8.2 Chain 适配器 .................................................................................................... 103
5.8.3 其他适配器 ....................................................................................................... 105
5.9 Option＜T＞适配器 ......................................................................................................... 105
5.10 回顾 ............................................................................................................................. 106
第6 章 基本类型（续） ........................................................................................... 107
6.1 整数类型 ....................................................................................................................... 108
X∣深入Rust 标准库：必备的Rust 语言高级指南
6.2 布尔类型 ....................................................................................................................... 109
6.3 字符类型 ....................................................................................................................... 110
6.4 字符串类型 ................................................................................................................... 114
6.5 切片类型 ....................................................................................................................... 126
6.6 回顾 ............................................................................................................................... 128
第7 章 内部可变性类型 ........................................................................................... 129
7.1 Borrow/BorrowMut 分析 .............................................................................................. 130
7.2 Cell＜T＞类型分析 .......................................................................................................... 131
7.2.1 UnsafeCell＜T＞分析 .......................................................................................... 131
7.2.2 Cell＜T＞分析 ..................................................................................................... 132
7.3 RefCell＜T＞类型分析 .................................................................................................... 134
7.3.1 Borrow Trait 分析 ............................................................................................. 136
7.3.2 BorrowMut Trait 分析 ...................................................................................... 138
7.3.3 RefCell＜T＞的其他函数 ................................................................................... 140
7.4 Pin＜T＞/UnPin＜T＞类型分析 ......................................................................................... 142
7.5 Lazy＜T＞类型分析 ........................................................................................................ 145
7.6 回顾 ............................................................................................................................... 149
第8 章 智能指针 ...................................................................................................... 150
8.1 Box＜T＞类型分析 .......................................................................................................... 151
8.2 RawVec＜T＞类型分析 ................................................................................................... 155
8.3 Vec＜T＞类型分析 .......................................................................................................... 161
8.3.1 Vec＜T＞基础分析 .............................................................................................. 161
8.3.2 Vec＜T＞的Iterator Trait ..................................................................................... 170
8.4 Rc＜T＞类型分析 ............................................................................................................ 173
8.4.1 Rc＜T＞类型的构造函数及析构函数 ................................................................ 175
8.4.2 Weak＜T＞类型分析 ........................................................................................... 179
8.4.3 Rc＜T＞的其他函数 ........................................................................................... 180
8.5 Arc＜T＞类型分析 .......................................................................................................... 183
8.5.1 Arc＜T＞类型的构造函数及析构函数 .............................................................. 183
目录∣XI
8.5.2 Weak＜T＞类型分析 ........................................................................................... 188
8.5.3 Arc＜T＞的其他函数 .......................................................................................... 190
8.6 Cow＜‘a, T＞类型分析 ..................................................................................................... 194
8.6.1 ToOwned Trait 分析 .......................................................................................... 194
8.6.2 Cow＜‘a, T＞分析 ................................................................................................ 195
8.7 LinkedList＜T＞类型分析 ............................................................................................... 197
8.8 String 类型分析 ............................................................................................................. 203
8.8.1 初识String 类型分析 ....................................................................................... 203
8.8.2 格式化字符串分析 ........................................................................................... 205
8.9 回顾 ............................................................................................................................... 216
第9 章 用户态标准库基础 ........................................................................................ 217
9.1 Rust 与C 语言交互 ...................................................................................................... 218
9.1.1 C 语言的类型适配 ........................................................................................... 219
9.1.2 C 语言的va_list 类型适配 ............................................................................... 221
9.1.3 C 语言字符串类型适配 ................................................................................... 222
9.1.4 OsString 代码分析 ............................................................................................ 228
9.2 代码工程中的一个技巧 ............................................................................................... 229
9.3 内存管理之STD 库 ...................................................................................................... 230
9.4 系统调用（SYSCALL）的封装 .................................................................................. 236
9.5 文件描述符及句柄 ....................................................................................................... 237
9.5.1 文件描述符所有权设计 ................................................................................... 237
9.5.2 文件逻辑操作适配层 ....................................................................................... 241
9.6 回顾 ............................................................................................................................... 244
第10 章 进程管理 .................................................................................................... 245
10.1 匿名管道 ..................................................................................................................... 247
10.2 重定向实现分析 ......................................................................................................... 248
10.3 进程管理 ..................................................................................................................... 251
10.3.1 OS 相关适配层 ............................................................................................... 251
10.3.2 对外接口层 ..................................................................................................... 259
10.4 回顾 ............................................................................................................................. 263
XII∣深入Rust 标准库：必备的Rust 语言高级指南
第11 章 并发编程 .................................................................................................... 264
11.1 Futex 分析 ................................................................................................................... 265
11.2 Mutex＜T＞类型分析 .................................................................................................... 267
11.2.1 OS 相关适配层 ............................................................................................... 267
11.2.2 OS 无关适配层 ............................................................................................... 269
11.2.3 对外接口层 ..................................................................................................... 271
11.3 Condvar 类型分析 ....................................................................................................... 275
11.3.1 OS 相关适配层 ............................................................................................... 275
11.3.2 OS 无关适配层 ............................................................................................... 277
11.3.3 对外接口层 ..................................................................................................... 278
11.4 RwLock＜T＞类型分析 ................................................................................................. 280
11.4.1 OS 相关适配层 ............................................................................................... 280
11.4.2 OS 无关适配层 ............................................................................................... 286
11.4.3 对外接口层 ..................................................................................................... 287
11.5 Barrier 类型分析 ......................................................................................................... 290
11.6 Once 类型分析 ............................................................................................................ 292
11.7 OnceLock＜T＞类型分析 .............................................................................................. 296
11.8 LazyLock＜T＞类型分析 .............................................................................................. 299
11.9 线程分析 ..................................................................................................................... 300
11.9.1 OS 相关适配层 ............................................................................................... 300
11.9.2 OS 无关适配层 ............................................................................................... 311
11.9.3 对外接口层 ..................................................................................................... 313
11.10 线程消息通信——MPSC ......................................................................................... 332
11.10.1 消息队列类型——Queue＜T＞ ...................................................................... 334
11.10.2 阻塞及唤醒信号机制 ................................................................................... 336
11.10.3 一次性通信通道机制 ................................................................................... 338
11.10.4 Shared 类型通道 ........................................................................................... 342
11.10.5 对外接口层 ................................................................................................... 350
11.11 Rust 的RUNTIME .................................................................................................... 357
11.12 回顾 ........................................................................................................................... 359
目录∣XIII
第12 章 文件系统 .................................................................................................... 360
12.1 OS 相关适配层 ........................................................................................................... 361
12.1.1 路径名类型分析 ............................................................................................. 361
12.1.2 普通文件操作分析 ......................................................................................... 362
12.1.3 目录操作分析 ................................................................................................. 371
12.2 对外接口层 ................................................................................................................. 377
12.3 回顾 ............................................................................................................................. 381
第13 章 I/O 系统 ...................................................................................................... 382
13.1 标准输入Stdin 类型分析 ........................................................................................... 383
13.1.1 Read Trait ........................................................................................................ 384
13.1.2 向量读/写类型分析 ........................................................................................ 388
13.1.3 对外接口层 ..................................................................................................... 390
13.2 标准输出Stdout 类型分析 ......................................................................................... 405
13.3 网络I/O ....................................................................................................................... 420
13.4 回顾 ............................................................................................................................. 420
第14 章 异步编程 .................................................................................................... 421
14.1 Rust 协程框架简析 ..................................................................................................... 422
14.1.1 协程概述 ......................................................................................................... 422
14.1.2 Rust 的I/O 多路复用 ..................................................................................... 423
14.2 Rust 协程支持类型简析 ............................................................................................. 428
14.2.1 Rust 协程管理 ................................................................................................ 428
14.2.2 Future Trait 分析 ............................................................................................. 429
14.3 回顾 ............................................................................................................................. 434

前言
我对Rust 的兴趣始于一个新闻：Linux Torvalds 有意向将Rust 作为Linux Kernel 的开发
语言（Linux Kernel 6.1 已经正式被纳入Rust）。开始学习Rust 后，我便立刻意识到它对所有
程序员的巨大价值。Rust 是较理想的编程语言，使用它开发的程序在执行效率上不输于其他
任何高级编程语言。同时，Rust 是一门内存安全的语言，具有极高的生产力（掌握它之后），
其语法会自然导出良好的程序设计与架构。Rust 的缺点也是显而易见的，相比于其他语言，
它明显需要程序员花费更多的时间入门，这是因为Rust 把程序世界的许多奥秘放在了入门
阶段。
本书目的
本书试图通过对Rust 标准库源代码系统的分析，帮助读者理解标准库所定义的类型、函
数，缩短读者在Rust 入门阶段所花费的时间。
熟练掌握一门编程语言的最佳途径就是深入分析、学习、理解优秀的代码。Rust 标准库
源代码正是最理想的素材。
Rust 标准库具有完善的注释，但这些注释的目的是作为标准库的指南，缺乏系统性及一
些语言语法性质的内容，这促使了本书的诞生。
本书疏理了标准库源代码的脉络以便读者学习及研究，避免读者在学习Rust 时陷入一团
混乱中。本书对标准库源代码中与所有权、生命周期、内存安全相关的部分着重进行了注释
分析，以加快读者对这3 个概念的理解。本书还对每一个标准库数据类型背后的需求及解决
方案思路进行了探讨，并针对Rust 的某些设计理念、设计架构、设计思路进行了重点说明，
以便读者理解Rust 程序设计的思维和习惯。
IV∣深入Rust 标准库：必备的Rust 语言高级指南
目标读者
本书不适合初学编程的读者。本书的最佳学习对象是资深的、掌握了Rust 初步语法的
C/C++程序员。本书也适合已经对Rust 基础语法比较熟悉的，希望对Rust 有更深了解的，尤
其是希望进行操作系统内核编程或通用框架编程的程序员。对于资深的Java、Python、Go 程
序员，可以将本书作为与其他编程语言相比较的一个参考。
阅读本书之前，读者应该已经学习过官方教程《Rust 程序设计语言》。本书不是标准库参
考手册，如需要参考手册，请见《Rust 标准库参考手册》。
内容脉络
本书按如下脉络对Rust 标准库进行分析。
Rust 标准库的目录结构展示了其精细的模块化设计。CORE 库、ALLOC 库、STD 库的分
工明晰且内聚，而Rust 标准库的概述包含了这些内容。
Rust 具有一些自身的特征，包括泛型、内存安全框架、安全封装类型、解封装等，本书
总结了这些特征。
程序员精通C 语言的标志是能熟练地使用指针。Rust 的裸指针是学习Rust 最基础、最核
心的知识点之一。本书将以裸指针为代表的内存模块作为代码分析的起点，*const T、*mut T、
MaybeUninit＜T＞、ManuallyDrop＜T＞有助于读者理解所有权、生命周期、借用等，它们是非常
重要的数据类型，只有理解了这些类型，才能攻克Rust 的难点。Rust 提供了开放的接口以便
程序员自行设计动态内存的申请与释放机制，并使标准库所有的动态内存都可以基于此机制。
通过对标量类型、切片类型、元组类型等基本类型的分析，就能看到Rust 的基本类型可
以利用特征语法无限扩展自身的行为，这展现了Rust 更有表现力的语法功能。本书对基本类
型做了分析。
Option＜T＞、Result＜T,E＞等类型完全由标准库定义，而不是由编译器支持的Rust 基本类
型定义，这一点可以从本书的源代码分析中发现。
Marker Trait 通常由编译器实现，也是较难理解的语言特征。因此，本书对Marker Trait 进
行了详细的阐述。
标准库除了加、减、乘、除及位运算，还包括下标运算、范围运算、Try 运算等，所有运
算符都可以重载，且可以跨越类型重载，运算符重载揭示了Rust 的很多编码奥秘及技巧。
Iterator 闭包是函数式编程的基础构架，Iterator 适配器构成了函数式编程的基础设施，标
前言∣V
准库完整地实现了这些内容，并且几乎为每个类型都实现了迭代器，尽可能为函数式编程做
好准备。本书分析了所有基本类型的Iterator 实现。
Cell＜T＞、RefCell＜T＞、Pin＜T＞、Lazy＜T＞代码阐释了在Rust 的基础语法下，如何创造性
地解决问题。
Rust 标准库其他智能指针类型的堆内存申请及释放基本都由Box＜T＞、RawVec＜T＞这两
个类型负责。
Rc＜T＞、Arc＜T＞是一个杰作，系统级的程序员会仅因为这两个类型而喜欢上Rust。
Vec＜T＞、VecDeque＜T＞、LinkList＜T＞等智能指针类型都可用于实现经典的数据结构示例。
标准库对不同操作系统的适配能让程序员不必像使用C/C++那样重复耗费精力编写代
码，节省了编程时间，提高了工作效率。
Future、Poll、Waker 与Context 揭示了异步编程最基础的思考和实现。
本书约定
本书的代码分析遵循了人们的阅读习惯，在代码中插入了中文注释，以便读者理解相关
代码。
由于编著者写作水平有限，书中难免存在疏漏与不足之处，恳请广大读者给予批评、
指正。
任成珺
2024 年3 月1 日

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