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Rust 中 i32 与 *i32 的深度解析

news 2025/8/16 6:12:28

Rust 中 `&i32` 与 `*i32` 的深度解析

在 Rust 中，&i32 和 *i32 是两种完全不同的指针类型，它们在安全性、所有权和使用方式上有本质区别。以下是详细对比：

核心区别概览

详细对比分析

1. `&i32` - 引用（安全指针）

特性	说明
安全性	100% 安全，编译器保证有效性
所有权	借用检查器控制，不转移所有权
解引用	自动解引用（Deref coercion）
使用场景	日常 Rust 编程
可变性	`&i32`（不可变）或 `&mut i32`（可变）
空值	永远不为空
别名规则	严格遵循借用规则（要么多个不可变引用，要么一个可变引用）

fn safe_ref_example() {let num = 42;let ref_num: &i32 = &num; // 创建不可变引用// 自动解引用println!("Value: {}", *ref_num); println!("Value: {}", ref_num); // 同样有效// 编译错误：不能同时存在可变和不可变引用// let mut_ref = &mut num;
}

2. `*i32` - 裸指针（不安全指针）

特性	说明
安全性	不安全，需要 `unsafe` 块操作
所有权	无所有权概念，可能悬垂
解引用	必须显式解引用（在 `unsafe` 中）
使用场景	FFI、底层系统编程、性能优化
可变性	`const i32`（不可变）或 `mut i32`（可变）
空值	可能为空（`std::ptr::null()`）
别名规则	无编译时检查，需手动保证安全

fn raw_ptr_example() {let num = 42;let raw_ptr: *const i32 = &num as *const i32;// 必须使用 unsafe 块解引用unsafe {println!("Value: {}", *raw_ptr);}// 可能创建悬垂指针let dangling_ptr: *const i32;{let temp = 100;dangling_ptr = &temp as *const i32;} // temp 离开作用域// 危险：dangling_ptr 现在无效！
}

关键区别详解

1. 安全机制对比

2. 内存访问对比

操作	`&i32`	`*i32`
创建引用/指针	`&value`	`&value as *const i32`
解引用	自动或显式 `*ref`	必须 `unsafe { *ptr }`
空指针	不可能	`std::ptr::null()`
指针算术	不支持	支持（`ptr.offset(1)`）
类型转换	有限制（通过 trait）	自由转换（`as *mut u8`）

3. 典型使用场景

`&i32` 场景：

// 函数参数传递
fn print_value(v: &i32) {println!("Value: {}", v);
}// 结构体借用
struct Processor<'a> {data: &'a i32,
}// 迭代器使用
let sum: i32 = vec![1, 2, 3].iter().map(|&x| x * 2).sum();

`*i32` 场景：

// C 语言交互
extern "C" {fn c_function(ptr: *mut i32);
}// 自定义内存管理
unsafe fn allocate_buffer(size: usize) -> *mut u8 {let layout = std::alloc::Layout::array::<u8>(size).unwrap();std::alloc::alloc(layout)
}// 高性能算法
unsafe fn fast_sum(ptr: *const i32, len: usize) -> i32 {let mut sum = 0;for i in 0..len {sum += *ptr.add(i);}sum
}

转换关系

1. 安全转换

// 引用 → 裸指针（安全）
let num = 42;
let ref_num: &i32 = &num;
let raw_ptr: *const i32 = ref_num as *const i32;

2. 不安全转换

// 裸指针 → 引用（不安全）
unsafe {let ref_back: &i32 = &*raw_ptr;
}

3. 转换注意事项

最佳实践指南

何时使用 `&i32`：

99% 的日常 Rust 编程
函数参数传递
结构体字段借用
实现 trait 对象 (&dyn Trait)

何时使用 `*i32`：

与 C 库交互（FFI）
实现底层数据结构（如自定义分配器）
极端性能优化场景
操作系统内核开发

安全使用裸指针的模式：

// 模式1：封装在安全API中
struct SafePointer {ptr: *mut i32,len: usize,
}impl SafePointer {// 安全构造函数pub fn new(data: &mut [i32]) -> Self {SafePointer {ptr: data.as_mut_ptr(),len: data.len(),}}// 安全访问方法pub fn get(&self, index: usize) -> Option<&i32> {if index < self.len {unsafe { Some(&*self.ptr.add(index)) }} else {None}}
}// 模式2：与生命周期绑定
struct GuardedPtr<'a> {ptr: *const i32,_marker: std::marker::PhantomData<&'a i32>,
}impl<'a> GuardedPtr<'a> {pub fn new(reference: &'a i32) -> Self {GuardedPtr {ptr: reference as *const i32,_marker: std::marker::PhantomData,}}pub fn get(&self) -> &'a i32 {unsafe { &*self.ptr }}
}

性能对比

操作	`&i32`	`*i32`
创建开销	零成本抽象	零成本
解引用开销	等同直接访问	等同直接访问
安全检查开销	编译时（零运行时开销）	无检查（需手动验证）
优化潜力	编译器充分优化	同左，但需更多人工干预

常见错误示例

错误1：悬垂引用

fn dangling_ref() -> &'static i32 {let x = 42;&x // 错误：返回局部变量引用
}

错误2：不安全裸指针使用

fn unsafe_ptr_demo() {let ptr: *const i32;{let value = 100;ptr = &value;} // value 被丢弃unsafe {println!("{}", *ptr); // 未定义行为！}
}

错误3：违反别名规则

fn alias_violation() {let mut data = 42;let ref1 = &data;let ref2 = &mut data; // 错误：同时存在可变和不可变引用println!("{}", ref1);
}

总结对比表

特性	`&i32`	`*const i32`	`*mut i32`
安全性	安全	不安全	不安全
空值	不可能	可能	可能
可变性	不可变	不可变	可变
别名检查	严格	无	无
生命周期	编译器验证	无保证	无保证
使用场景	常规编程	FFI/只读访问	FFI/写访问
解引用	安全	需 `unsafe`	需 `unsafe`
自动转换	支持 Deref	不支持	不支持