Die Programmiersprache Rust

Programmcode beim Aufräumen ausführen mit dem Merkmal (trait) Drop

Das zweite wichtige Merkmal für intelligente Zeiger ist Drop, mit dem man anpassen kann, was passiert, wenn ein Wert den Gültigkeitsbereich verlässt. Man kann eine Implementierung für das Merkmal (trait) Drop für jeden Typ bereitstellen, und der angegebene Programmcode kann zum Freigeben von Ressourcen wie Dateien oder Netzwerkverbindungen verwendet werden.

Wir führen Drop im Kontext von intelligenten Zeigern ein, da die Funktionalität des Merkmals Drop fast immer bei der Implementierung eines intelligenten Zeigers verwendet wird. Wenn beispielsweise eine Box<T> aufgeräumt wird, wird der Speicherplatz auf dem Haldenspeicher freigegeben, auf den die Box zeigt.

In einigen Programmiersprachen muss der Programmierer für manche Datentypen den Speicher oder die Ressourcen manuell freigeben, wenn die jeweiligen Instanzen nicht mehr benötigt werden. Beispiele hierfür sind Dateiressourcen, Sockets und Sperren. Wenn er das vergisst, kann das System überlastet werden und abstürzen. In Rust kannst du festlegen, dass ein bestimmter Programmcode ausgeführt wird, sobald ein Wert seinen Gültigkeitsbereich verlässt. Der Compiler fügt dann diesen Programmcode automatisch ein. Infolgedessen muss man sich nicht darum kümmern, an allen relevanten Stellen Aufräumcode zu platzieren, und verschwendet trotzdem keine Ressourcen!

Du schreibst den Programmcode, der ausgeführt wird, wenn ein Wert den Gültigkeitsbereich verlässt, durch Implementieren des Merkmals Drop. Für das Merkmal Drop muss man eine Methode drop implementieren, die eine veränderbare Referenz auf self enthält. Um zu sehen, wann Rust drop aufruft, implementieren wir drop zunächst mit println!-Anweisungen.

Codeblock 15-14 zeigt eine Struktur (struct) CustomSmartPointer, deren einzige benutzerdefinierte Funktionalität darin besteht, CustomSmartPointer mit Daten aufräumen auszugegeben, sobald die Instanz den Gültigkeitsbereich verlässt.

Dateiname: src/main.rs

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) {
        println!("CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `{}`!", self.data);
    }
}

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {
        data: String::from("meine Sache"),
    };
    let d = CustomSmartPointer {
        data: String::from("andere Sachen"),
    };
    println!("CustomSmartPointers erzeugt.");
}

Codeblock 15-14: Eine Struktur CustomSmartPointer, die das Merkmal Drop implementiert, wo wir unseren Programmcode für das Aufräumen platzieren würden

Das Merkmal Drop ist im Präludium (prelude) enthalten, daher müssen wir es nicht in den Gültigkeitsbereich bringen. Wir implementieren das Merkmal Drop in CustomSmartPointer und stellen eine Implementierung für die Methode drop bereit, die println! aufruft. Im Hauptteil der Methode drop kannst du jede Logik platzieren, die du ausführen möchtest, wenn eine Instanz deines Typs den Gültigkeitsbereich verlässt. Wir geben hier einen Text aus, um visuell zu zeigen, wann Rust drop aufruft.

In main erstellen wir zwei Instanzen von CustomSmartPointer und geben dann CustomSmartPointers erzeugt aus. Am Ende von main verlassen unsere Instanzen von CustomSmartPointer den Gültigkeitsbereich und Rust ruft den Programmcode auf, den wir in der Methode drop angegeben haben, und gibt schließlich unsere Nachricht aus. Beachte, dass wir die Methode drop nicht explizit aufrufen mussten.

Wenn wir das Programm ausführen, erhalten wir folgende Ausgabe:

$ cargo run
   Compiling drop-example v0.1.0 (file:///projects/drop-example)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.60s
     Running `target/debug/drop-example`
CustomSmartPointers erzeugt.
CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `andere Sachen`!
CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `meine Sache`!

Rust hat für uns automatisch drop und den von uns angegebenen Programmcode aufgerufen, als unsere Instanzen den Gültigkeitsbereich verlassen haben. Variablen werden in umgekehrter Reihenfolge ihrer Erstellung aufgeräumt, daher wurde d vor c aufgeräumt. Der Zweck dieses Beispiels ist, dir eine visuelle Anleitung zur Funktionsweise der Methode drop zu geben. Normalerweise schreibst du den Aufräumcode, der für deinen Typ nötig ist, anstatt einen Text auszugeben.

Leider ist es nicht einfach, die automatische drop-Funktionalität zu deaktivieren. Für gewöhnlich ist es auch nicht erforderlich; der wesentliche Punkt des Merkmals Drop ist, dass es automatisch erledigt wird. Gelegentlich möchte man jedoch möglicherweise einen Wert frühzeitig aufräumen. Ein Beispiel ist die Verwendung intelligenter Zeiger, die Sperren verwalten: Möglicherweise möchtest du den Aufruf der Methode drop erzwingen, um die Sperre sofort freizugegeben, damit ein anderer Programmcode im selben Gültigkeitsbereich die Sperre erhalten kann. Mit Rust kann man die Methode drop des Merkmals Drop nicht manuell aufrufen. Stattdessen muss man die von der Standardbibliothek bereitgestellte Funktion std::mem::drop aufrufen, wenn man das Aufräumen eines Werts vor dem Ende seines ültigkeitsbereichs erzwingen möchte.

Wenn wir versuchen die Methode drop des Merkmals Drop manuell aufzurufen, indem wir die Funktion main aus Codeblock 15-14 ändern, wie im Codeblock 15-15, gezeigt, erhalten wir einen Kompilierfehler.

Dateiname: src/main.rs

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) {
        println!("CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `{}`!", self.data);
    }
}

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {
        data: String::from("Daten"),
    };
    println!("CustomSmartPointer erzeugt.");
    c.drop();
    println!("CustomSmartPointer vor dem Ende von main aufgeräumt.");
}

Codeblock 15-15: Der Versuch, die Methode drop des Merkmals Drop manuell aufzurufen, um frühzeitig aufzuräumen

Wenn wir versuchen, diesen Programmcode zu kompilieren, erhalten wir folgende Fehlermeldung:

$ cargo run
   Compiling drop-example v0.1.0 (file:///projects/drop-example)
error[E0040]: explicit use of destructor method
  --> src/main.rs:16:7
   |
16 |     c.drop();
   |       ^^^^ explicit destructor calls not allowed
   |
help: consider using `drop` function
   |
16 |     drop(c);
   |     +++++ ~

For more information about this error, try `rustc --explain E0040`.
error: could not compile `drop-example` (bin "drop-example") due to 1 previous error

Diese Fehlermeldung besagt, dass wir drop nicht explizit aufrufen dürfen. Die Fehlermeldung verwendet den Begriff Destruktor (destructor), der der allgemeine Programmierbegriff für eine Funktion ist, die eine Instanz aufräumt. Ein Destruktor ist analog zu einem Konstruktor (constructor), der eine Instanz erstellt. Die Funktion drop in Rust ist so ein Destruktor.

Rust lässt uns drop nicht explizit aufrufen, da Rust immer noch automatisch für den Wert am Ende von main drop aufruft. Dies würde einen Doppel-Freigabe-Fehler (double free error) verursachen, da Rust versuchen würde, den gleichen Wert zweimal aufzuräumen.

Wir können das automatische Einfügen von drop am Ende des Gültigkeitsbereichs nicht deaktivieren und wir können die Methode drop nicht explizit aufrufen. Wenn wir also erzwingen wollen, dass ein Wert frühzeitig aufgeräumt wird, verwenden wir die Funktion std::mem::drop.

Die Funktion std::mem::drop unterscheidet sich von der Methode drop im Merkmal Drop. Wir rufen sie auf, indem wir den Wert, dessen vorzeitiges Aufräumen wir erzwingen möchten, der Funktion als Argument mitgeben. Die Funktion befindet sich im Präludium, daher können wir main in Codeblock 15-15 ändern, um die Funktion drop wie in Codeblock 15-16 gezeigt aufzurufen.

Dateiname: src/main.rs

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) {
        println!("CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `{}`!", self.data);
    }
}

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {
        data: String::from("Daten"),
    };
    println!("CustomSmartPointer erzeugt.");
    drop(c);
    println!("CustomSmartPointer vor dem Ende von main aufgeräumt.");
}

Codeblock 15-16: std::mem::drop aufrufen, um einen Wert explizit aufzuräumen, bevor er den Gültigkeitsbereich verlässt

Wenn wir den Programmcode aufrufen, wird folgendes ausgegeben:

$ cargo run
   Compiling drop-example v0.1.0 (file:///projects/drop-example)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.73s
     Running `target/debug/drop-example`
CustomSmartPointer erzeugt.
CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `Daten`!
CustomSmartPointer vor dem Ende von main aufgeräumt.

Der Text CustomSmartPointer mit Daten aufräumen: `Daten`! wird zwischen CustomSmartPointer erzeugt und CustomSmartPointer vor dem Ende von main aufgeräumt ausgegeben und zeigt, dass der Methodencode von drop aufgerufen wird, um c an diesem Punkt aufzuräumen.

Du kannst den Programmcode, der in einer Implementierung des Merkmals Drop angegeben ist, auf viele Arten verwenden, um das Aufräumen bequem und sicher zu gestalten. Du kannst ihn beispielsweise dazu verwenden, deine eigene Speicherverwaltung (memory allocator) zu erstellen! Mit dem Merkmal Drop und dem Eigentümerschaftssystem von Rust musst du nicht ans Aufräumen denken, da Rust dies automatisch tut.

Man muss sich auch keine Sorgen über Probleme machen, die sich aus dem versehentlichen Aufräumen noch verwendeter Werte ergeben: Das Eigentümerschaftssystem, das sicherstellt, das Referenzen immer gültig sind, stellt auch sicher, dass drop nur einmal aufgerufen wird, wenn der Wert nicht mehr verwendet wird.

Nachdem wir nun Box<T> und einige der Merkmale von intelligenten Zeigern untersucht haben, schauen wir uns einige andere intelligente Zeiger an, die in der Standardbibliothek definiert sind.