Intelligente Zeiger

Im Allgemeinen ist ein Zeiger ein Konzept für eine Variable die eine Speicheradresse enthält. Diese Adresse bezieht sich, oder „zeigt“, auf andere Daten. Die häufigste Art von Zeigern in Rust ist eine Referenz, die wir bereits in Kapitel 4 kennengelernt haben. Referenzen werden durch das Symbol & gekennzeichnet und leihen (borrow) den Wert auf den sie zeigen aus. Sie haben, außer dem Verweisen auf Daten, keine besonderen Funktionalitäten. Im Übrigen erzeugen sie keinen Mehraufwand (overhead) und sind die am häufigsten verwendete Art von Zeigern.

Intelligente Zeiger (smart pointers) sind hingegen Datenstrukturen, die wie ein Zeiger wirken, sondern auch über zusätzliche Metadaten und Funktionalitäten verfügen. Das Konzept der intelligenten Zeiger gilt nicht nur für Rust, sie stammen aus C++ und sind auch in anderen Sprachen vorhanden. Rust hat diverse intelligente Zeiger, die in der Standardbibliothek definiert sind und Funktionalitäten die über die durch Referenzen bereitgestellten Möglichkeiten hinausgehen. Um das allgemeine Konzept zu erkunden, werden wir uns einige verschiedene Beispiele für intelligente Zeiger ansehen, darunter einen referenzzählenden (reference counting) intelligenten Zeigertyp. Dieser Zeiger ermöglicht es, dass Daten mehrere Eigentümer (owner) haben können, indem er die Anzahl der Eigentümer verfolgt und die Daten aufräumt, wenn keine Eigentümer mehr vorhanden sind.

Da Rust das Konzept der Eigentümerschaft (ownership) und Ausleihen (borrowing) verwendet, besteht ein zusätzlicher Unterschied zwischen Referenzen und intelligenten Zeigern: Während Referenzen Zeiger sind, die Daten nur ausleihen, besitzen intelligente Zeiger in vielen Fällen die Eigentümerschaft der Daten, auf die sie zeigen.

Obwohl wir sie nicht so genannt haben, sind wir in diesem Buch bereits auf einige intelligente Zeiger gestoßen, z.B. String und Vec<T> in Kapitel 8. Diese beiden Typen zählen zu den intelligenten Zeigern, da sie einen gewissen Speicher besitzen und es dir ermöglichen, diesen zu manipulieren. Sie verfügen auch über Metadaten und zusätzliche Fähigkeiten oder Garantien. String speichert beispielsweise seine Kapazität als Metadaten und hat die zusätzliche Fähigkeit, sicherzustellen, dass seine Daten immer gültiges UTF-8 enthalten.

Intelligente Zeiger werden normalerweise mithilfe von Strukturen implementiert. Im Unterschied zu einer gewöhnlichen Struktur (struct) implementieren intelligente Zeiger die Merkmale Deref und Drop. Das Merkmal Deref ermöglicht es einer Instanz der Struktur für intelligente Zeiger, sich wie eine Referenz zu verhalten, sodass du Programmcode schreiben kannst, der entweder mit Referenzen oder intelligenten Zeigern funktioniert. Mit dem Merkmal Drop kannst du den Programmcode anpassen, der ausgeführt wird, wenn eine Instanz des intelligenten Zeigers den Gültigkeitsbereich (scope) verlässt. In diesem Kapitel werden wir beide Merkmale besprechen und zeigen, warum sie für intelligente Zeiger wichtig sind.

Da das Muster des intelligenten Zeigers ein allgemeines Entwurfsmuster ist, das in Rust häufig verwendet wird, werden in diesem Kapitel nicht alle vorhandenen intelligenten Zeiger behandelt. Viele Bibliotheken haben ihre eigenen intelligenten Zeiger, und du kannst sogar deine eigenen schreiben. Wir werden die am häufigsten verwendeten intelligenten Zeiger der Standardbibliothek behandeln:

• Box<T> zum Zuweisen von Werten auf dem Heap
• Rc<T>, ein Typ der Referenzen zählt und dadurch mehrfache Eigentümerschaft ermöglicht
• Ref<T> und RefMut<T>, Zugriff über RefCell<T>, ein Typ, der das Einhalten der Ausleihregel zur Laufzeit (runtime) statt zur Kompilierzeit erzwingt.

Darüber hinaus wird das innere Veränderbarkeitsmuster (interior mutability pattern) behandelt, bei dem ein unveränderbarer Typ eine API zum Verändern eines inneren Werts verfügbar macht. Wir werden auch Referenzzyklen besprechen, wie diese Speicherverlust verursachen können und wie das verhindert werden kann.

Lass uns in die Materie eintauchen!