Rust常用特型之Deref和DerefMut特型

在Rust标准库中，存在很多常用的工具类特型，它们能帮助我们写出更具有Rust风格的代码。

你可以通过在你的类型上实现std::ops::Deref和std::ops::DerefMut特型来自定义解引用操作例如*操作符和.操作符的行为。像Box<T>和Rc<T>实现了这两个特型，所以他们的行为就像Rust内置指针类型一样。例如，如果你有一个Box<Complex>类型的值b，此时，*b 代表的是b指向的那个复数值。b.re代表该复数的实部.

如果对引用赋值或者借借出一个可变引用，那么Rust使用DerefMut特型。否则，只读就足够了，此时会使用Deref特型。

这两个特型的定义类似如下：

rust 复制代码

trait Deref {
  type Target: ?Sized;
  fn deref(&self) -> &Self::Target;
}
trait DerefMut: Deref {
  fn deref_mut(&mut self) -> &mut Self::Target;
}

deref和deref_mut函数都使用&self引用作为参数并且返回一个&Self::Target的引用。 Target是该类型所拥有的，包含的或者指向的一个具体变量类型（显然，它不可能把它不知道的东西借出去，例如另一个结构体中的字段）。例如对Box<Complex>来说，这里的Target就是Complex。注意DerefMut拓展了Deref，这时显而易见的，如果你能解引用并修改它，那么你肯定能借出一个共享的引用而不修改。因为函数返回的引用的生命周期和&Self相同（生命周期三原则），只要函数返回的引用一直存在，那么Self本身就一直被借用。其实这里说的是只要是&Self有效，那么函数得到的引用就一直有效。

Deref和DerefMut特型同时还扮演了其它角色。由于deref函数拿走了一个&Self引用但是返回了一个&Self::Target引用，Rust可以使用它来进行自动引用转换，将&Self转换成&Self::Target。换句话说，如果插入一个deref函数能消除类型不匹配的语法错误，Rust会自动为你插入。DerefMut也可以作相应的转换，只不过是可变引用。这个功能叫着deref coericoins（强制解引用），一个类型被强制表现为另一种类型。

尽管你也可以自己写一个类似强制转引用的功能，但是它们很方便：

如果你有一个Rc<String>类型的值r，你想在它上面应用String::find函数，你可以简单的写成r.find(?)，而不是(*r).find(?)。这是因为这个find函数调用隐式的借用r, 而Rc<T>实现了Deref<Target=T>,因此&Rc<String> 可以被解引用为&String.其实这里就是智能指针的应用（可以把智能指针当成普通内置指针使用）
你可以在String上使用split_at函数，虽然该函数是定义在str字符串切片类型上的，因为String实现了Deref<Target=str>。String并不需要重新实现split_at函数，因为你可以从&String强制解引用得到&str。这里其实是Rust中的一个便利性，我们可以在非常底层的数据结构上定义函数，然后其它结构可以直接使用。最常见的就是Vec<T>，其绝大部分函数是定义在切片[T]上的，但是因为强制解引用，你可以非常简单的直接在向量上使用这些函数。我们看一下代码直观就更明显：
rust 复制代码
```
impl str {
    pub const fn len(&self) -> usize {
        self.as_bytes().len()
    }
  	
  	pub const fn is_empty(&self) -> bool {
        self.len() == 0
    }
}
```
我们可以看到，len及is_empty函数都是定义在str上的，其参数为&self，因此调用发生时，其实相当于是(&str).len。虽然我们这里是(&String).len()，但是由于自动解引用的存在，Rust会为我们自动插入deref函数，将&String转换成&str。
如果你有一个字节向量v(类型为Vec<u8>)，而你又想将它传递为参数为字节切片&[u8]的函数，你可以直接传递&v即可。因为Vec<T>实现了Deref<Target=[T]>。这里和我上面刚说的定义在切片上的函数还有些不同，那个是解引用操作的，这里是函数参数传递，场景不一样。

综上所述，强制解引用主要应用在三个场合：

智能指针，让智能指针变得和内置指针一样
共用函数定义，在底层结构上定义函数从而让其它类型直接使用。
函数多态，例如函数参数为&[T]，那么任何实现了Deref<Target=[T]>的类型都可以直接将引用传递给参数。

如果需要，Rust会执行多重链式强制解引用。例如你在Rc<String>上调用split_at函数，首先，将它&Rc<String>解引用为&String，接下来再将&String解引用为&str，这正是split_at函数的拥有类型。

例如，如果你的类型如下所示：

rust 复制代码

struct Selector<T> {
  elements: Vec<T>,
  current: usize
}

虽然这里的类型涉及到了泛型，但相当简单。你的结构体包含了一个类型T的向量和一个记录当前位置的索引(current)。而这个结构体的功能就是实现一个指向当前元素的指针行为。

为了实现这个需求，Selector类型需要实现Deref和DerefMut特型。

rust 复制代码

use std::ops::{Deref, DerefMut};

impl<T> Deref for Selector<T> {
  type Target = T;
  fn deref(&self) -> &T {
    &self.elements[self.current]
  }
}

impl<T> DerefMut for Selector<T> {
  fn deref_mut(&mut self) -> &mut T {
    &mut self.elements[self.current]
  }
}

代码相当简单了，我们就不说了。那怎么应用它呢？

rust 复制代码

let mut s = Selector { elements: vec!['x', 'y', 'z'],current: 2 };
*s = 'w';
assert_eq!(s.elements, ['x', 'y', 'w']);

这里s定义为mut的，这是因为我们要借用一个&mut T并修改它的值。

Deref和DerefMut特型被设计用来实现实现智能指针类型，例如Box,Rc,Arc等，它还用于某些特定类型。这些类型拥有其它类型的值，但是需要频繁通过引用来使用它内部拥有的其它类型的值。例如Vec<T>和String分别拥有[T]和str。当你只有让Target的方法自动出现在你的类型上这么一个目的时（正如c++中基类的方法自动出现在子类中），你不应该为它设计实现Deref和DerefMut特型。它有可能并是总是像你期望的那样工作，并且滥用也容易导致困惑。

具体困惑是什么呢？下面提到了一点。

自动解引用功能有时会随着警告，这或许会让你感到不解。因为Rust虽然使用自动解引用来解决类型冲突，但是并不包含类型参数的条件绑定。例如，下面的代码工作的很好：

rust 复制代码

let s = Selector { elements: vec!["good", "bad", "ugly"],
current: 2 };
fn show_it(thing: &str) { println!("{}", thing); }
show_it(&s);

这是因为我们的Selector实现了Deref<Target=T>,而在上面使用场景的第三点函数多态时我们知道，传入&s会自动执行deref函数从而转换成为&str .这里稍微有一点混乱。（这里是书中写的，稍微有一点误导）。

真实的事情是这样的：

首先，s的类型为Selector<&str>（书中也是这么写的），那么这里的T应该是&str而不是str。所以它实现的是Deref<Target=&str>而不是Deref<Target=str>（书中是这样写的，未知原因）。所以书中写的相当于show_it(s.deref())这里deref函数返回的类型为&&str。但是传入函数是没有问题的，原因呢？估计是源码中会再进行自动解引用，将&&T解成&T。

经过查询相关资料，Rust Course《Rust语言圣经》上是这样说的，Rust会引用归一化，也就是把&&&v当成&v。所以这里&&str实际上转成了&str，因此传入函数是没有问题的。实际上，我的猜想是对的。看下面标准库源码，

rust 复制代码

impl<T: ?Sized> Deref for &T {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &T {
        *self
    }
}

它为&T实现了Deref<Target=T>，虽然这里不拥有T，但是指向了T。（见前面特型定义）。所以&&T会自动解引用为&T。这么一来，s.deref()返回的&&str又被解引用成为了&str，最终满足函数参数的类型。

所以这里书中讲的稍微不对，漏了一点东西。而我们一定不放过，要有打破沙锅问到底的精神。

接下来讲，如果你把show_it改成一个泛型函数，而类型参数T的限定为<T:Display>，那么问题来了，

rust 复制代码

use std::fmt::Display;
fn show_it_generic<T: Display>(thing: T) { println!("{}", thing);
}
show_it_generic(&s);

编译器会告诉你Selector<&str>没有实现std::fmt::Display，虽然&str实现了。

这里就是让人困惑的地方，Selector<&str>不强制解引用为&str了么？怎么还会有错误？

实际上，你传递的参数类型为&Selector<&str>，而函数的参数为&T，所以T必须是Selector<&str>。其实这里是这样的，T的类型是

Selector<&str>没有错的。可能这里需要涉及到Display的相关内容。这里暂时略过。

Rust会检查T是否满足Display约束，因为在检查约束时并不会应用强制解引用，显然是无法通过检查的。

解决办法也很简单，一是使用as操作符来手动解引用， show_it_generic(&s as &str);；另一种是按编辑器所建议，使用

show_it_generic(&*s);，这里因为有了*操作，所以会进行自动解引用操作得到&str，然后再加上前面的&就形成了&str，从而满足条件T:Display.

这里有一点点不解的是，明明我们传递的是&s，为什么T的类型为Selector<&str>呢？

经过研究，个人认为：其实T的类型仍然为&Selector<&str>，我们它把简化为&U:Display 而，&U:Display的条件为 U:Display，因此给出的错误提示为Selector<&str>未实现Display，这里我们仔细看这句话就会明白：

help: the trait std::fmt::Display is not implemented for Selector<&str>, which is required by &Selector<&str>: std::fmt::Display

我们的函数参数检查后面半句，但是后面半句需要的条件为前面半句，因为所以书中讲的还是有一些误导（或者简化）。

我们可以在函数体中增加如下代码：println!("type is {}", std::any::type_name::<T>())，它用来打印类型名称，当我们修改代码使用&s as &str时，打印出来的类型为&str而不是str，这进一步印证了我的猜想。

这里还发现了上面表述的一点不对，如果我们使用&*s，打印出来的T的类型为&&str，奇怪吧。因为*号操作符相当于调用deref函数(不是普通引用的解引用时的*，那里的操作是获取引用指向的值），所以*s得到的是&str，你不会得到str，因为str是无固定大小类型的，编译通不过。*s再加一个&就得到了&&str。它是否满足Display条件呢，Rust会移除&&直接检查str，发现它是满足的。标准库有代码如下：

rust 复制代码

impl Display for str {
    fn fmt(&self, f: &mut Formatter<'_>) -> Result {
        f.pad(self)
    }
}

注意，这里没有使用归一化，它没有插入deref函数将&&str变成&str，因为它只是检查条件。而Rust又自动实现了

impl<T> Display for &T where T:Display + ?Sized 。所以只要str实现了Display，不管前面加多少个&&都是实现了的。这也正是前面 the trait std::fmt::Display is not implemented for Selector<&str>, which is required by &Selector<&str>: std::fmt::Display 的原因，我们可以直接略去前面所有的&&而直接检查T是否实现了。那么有没有&T实现了Display而T没有实现的呢？当然没有，绝对不可能，看上面的实现：``impl Display for &T where T:Display + ?Sized ，很显然。