9.5 自定义智能指针与 Drop trait

虽然 Rust 标准库提供了 Box<T>、Rc<T>、Arc<T> 等常用智能指针，但在某些场景下，开发者可能需要实现自定义的智能指针类型，以封装特定的资源管理逻辑（如内存池、文件句柄、网络连接等）。实现这类类型的关键在于正确使用 Drop trait，确保资源在离开作用域时被可靠释放。

实现 Drop trait

Drop trait 允许你自定义值被销毁时的行为。它只有一个方法 drop(&mut self)，由编译器在变量离开作用域时自动调用。

例如，定义一个简单的日志型智能指针：

struct LogBox<T> {
    data: Box<T>,
    name: String,
}

impl<T> LogBox<T> {
    fn new(data: T, name: &str) -> Self {
        LogBox {
            data: Box::new(data),
            name: name.to_string(),
        }
    }
}

impl<T> Drop for LogBox<T> {
    fn drop(&mut self) {
        println!("Dropping LogBox '{}'", self.name);
        // 此处不需要手动 drop(self.data)，它会自动被析构
    }
}

fn main() {
    let _x = LogBox::new(42, "answer");
} // 输出: Dropping LogBox 'answer'

注意：drop 方法中通常不需要也不应该显式调用 std::mem::drop(self.data)，因为 Rust 会自动递归析构所有字段。

构建自定义智能指针

要使自定义类型表现得像标准智能指针，通常还需实现以下 trait：

• Deref：支持自动解引用，使 *ptr 返回内部值；
• DerefMut（可选）：支持可变解引用；
• Clone（若需共享）；
• Send / Sync（若用于多线程）。

示例：一个只读的堆包装器：

use std::ops::Deref;

struct MyBox<T> {
    ptr: *const T,
}

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T) -> Self {
        let boxed = Box::new(x);
        let ptr = Box::into_raw(boxed) as *const T;
        MyBox { ptr }
    }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;
    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        unsafe { &*self.ptr }
    }
}

impl<T> Drop for MyBox<T> {
    fn drop(&mut self) {
        unsafe {
            let _ = Box::from_raw(self.ptr as *mut T);
        }
    }
}

这里通过 Box::into_raw 获取原始指针，并在 Drop 中用 Box::from_raw 安全回收内存。整个过程需使用 unsafe，但对外暴露的接口是安全的。

注意事项

• 避免双重释放：确保 Drop 只释放一次资源；
• 不要 panic：drop 方法中应避免 panic，否则可能导致程序异常终止（尤其在栈展开过程中）；
• 遵循 RAII 原则：资源获取应在构造函数中完成，释放应在 Drop 中完成；
• 组合优于继承：通常通过包含 Box、Rc 等现有智能指针来构建新类型，而非从零管理原始指针。

应用场景

• 封装 C 库的资源（如文件描述符、OpenGL 对象）；
• 实现 arena 分配器或对象池；
• 添加调试信息、引用计数或生命周期钩子；
• 构建领域特定的资源管理抽象（如数据库连接池句柄）。

小结

通过实现 Drop trait，Rust 允许开发者精确控制资源的释放时机，这是 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）模式的核心体现。结合 Deref 等 trait，可以构建出行为自然、安全且高效的自定义智能指针。尽管涉及 unsafe 的场景需格外谨慎，但只要封装得当，就能在不破坏内存安全的前提下，扩展语言的能力边界。掌握这一机制，是编写系统级 Rust 代码的重要一步。