rust如何放置篝火_【译文】Rust异步编程： Pinning

原文：选自《Rust异步编程》第4章 Pinning

译者注：如果你一时半会没啃动Pinning，也别心急，试试阅读这篇《Rust的Pin与Unpin - Folyd》，理解起来会容易不少。

Pinning详解

让我们尝试使用一个比较简单的示例来了解pinning。前面我们遇到的问题，最终可以归结为如何在Rust中处理自引用类型的引用的问题。

现在，我们的示例如下所示：

use std::pin::Pin;
​
#[derive(Debug)]
struct Test {
    a: String,
    b: *const String,
}
​
impl Test {
    fn new(txt: &str) -> Self {
        Test {
            a: String::from(txt),
            b: std::ptr::null(),
        }
    }
​
    fn init(&mut self) {
        let self_ref: *const String = &self.a;
        self.b = self_ref;
    }
​
    fn a(&self) -> &str {
        &self.a
    }
​
    fn b(&self) -> &String {
        unsafe {&*(self.b)}
    }
}

Test提供了获取字段a和b值引用的方法。由于b是对a的引用，因此我们将其存储为指针，因为Rust的借用规则不允许我们定义这种生命周期。现在，我们有了所谓的自引用结构。

如果我们不移动任何数据，则该示例运行良好，可以通过运行示例观察：

fn main() {
    let mut test1 = Test::new("test1");
    test1.init();
    let mut test2 = Test::new("test2");
    test2.init();
​
    println!("a: {}, b: {}", test1.a(), test1.b());
    println!("a: {}, b: {}", test2.a(), test2.b());
​
}

我们得到了我们期望的结果：

a: test1, b: test1
a: test2, b: test2

让我们看看如果将test1与test2交换导致数据移动会发生什么：

fn main() {
    let mut test1 = Test::new("test1");
    test1.init();
    let mut test2 = Test::new("test2");
    test2.init();
​
    println!("a: {}, b: {}", test1.a(), test1.b());
    std::mem::swap(&mut test1, &mut test2);
    println!("a: {}, b: {}", test2.a(), test2.b());
​
}

我们天真的以为应该两次获得test1的调试打印，如下所示：

a: test1, b: test1
a: test1, b: test1

但我们得到的是：

a: test1, b: test1
a: test1, b: test2

test2.b的指针仍然指向了原来的位置，也就是现在的test1的里面。该结构不再是自引用的，它拥有一个指向不同对象字段的指针。这意味着我们不能再依赖test2.b的生命周期和test2的生命周期的绑定假设了。

如果您仍然不确定，那么下面可以让您确定了吧：

fn main() {
    let mut test1 = Test::new("test1");
    test1.init();
    let mut test2 = Test::new("test2");
    test2.init();
​
    println!("a: {}, b: {}", test1.a(), test1.b());
    std::mem::swap(&mut test1, &mut test2);
    test1.a = "I've totally changed now!".to_string();
    println!("a: {}, b: {}", test2.a(), test2.b());
​
}

下图可以帮助您直观地了解正在发生的事情：

这很容易使它展现出未定义的行为并“壮观地”失败。

Pinning实践

让我们看下Pinning和Pin类型如何帮助我们解决此问题。

Pin类型封装了指针类型，它保证不会移动指针后面的值。例如，Pin<&mut T>，Pin<&T>，Pin>都保证T不被移动，当且仅当T:!Unpin。

大多数类型在移动时都没有问题。这些类型实现了Unpin特型。可以将Unpin类型的指针自由的放置到Pin中或从中取出。例如，u8是Unpin，因此Pin<&mut u8>的行为就像普通的&mut u8。

但是，固定后无法移动的类型具有一个标记为!Unpin的标记。由async / await创建的Futures就是一个例子。

栈上固定

回到我们的例子。我们可以使用Pin来解决我们的问题。让我们看一下我们的示例的样子，我们需要一个pinned的指针：

use std::pin::Pin;
use std::marker::PhantomPinned;
​
#[derive(Debug)]
struct Test {
    a: String,
    b: *const String,
    _marker: PhantomPinned,
}
​
​
impl Test {
    fn new(txt: &str) -> Self {
        Test {
            a: String::from(txt),
            b: std::ptr::null(),
            _marker: PhantomPinned, // This makes our type `!Unpin`
        }
    }
    fn init<'a>(self: Pin<&'a mut Self>) {
        let self_ptr: *const String = &self.a;
        let this = unsafe { self.get_unchecked_mut() };
        this.b = self_ptr;
    }
​
    fn a<'a>(self: Pin<&'a Self>) -> &'a str {
        &self.get_ref().a
    }
​
    fn b<'a>(self: Pin<&'a Self>) -> &'a String {
        unsafe { &*(self.b) }
    }
}

如果我们的类型实现!Unpin，则将对象固定到栈始终是不安全的。您可以使用诸如pin_utils之类的板条箱来避免在固定到栈时编写我们自己的不安全代码。 下面，我们将对象test1和test2固定到栈上：

pub fn main() {
    // test1 is safe to move before we initialize it
    let mut test1 = Test::new("test1");
    // Notice how we shadow `test1` to prevent it from being accessed again
    let mut test1 = unsafe { Pin::new_unchecked(&mut test1) };
    Test::init(test1.as_mut());
​
    let mut test2 = Test::new("test2");
    let mut test2 = unsafe { Pin::new_unchecked(&mut test2) };
    Test::init(test2.as_mut());
​
    println!("a: {}, b: {}", Test::a(test1.as_ref()), Test::b(test1.as_ref()));
    println!("a: {}, b: {}", Test::a(test2.as_ref()), Test::b(test2.as_ref()));
}

如果现在尝试移动数据，则会出现编译错误：

pub fn main() {
    let mut test1 = Test::new("test1");
    let mut test1 = unsafe { Pin::new_unchecked(&mut test1) };
    Test::init(test1.as_mut());
​
    let mut test2 = Test::new("test2");
    let mut test2 = unsafe { Pin::new_unchecked(&mut test2) };
    Test::init(test2.as_mut());
​
    println!("a: {}, b: {}", Test::a(test1.as_ref()), Test::b(test1.as_ref()));
    std::mem::swap(test1.get_mut(), test2.get_mut());
    println!("a: {}, b: {}", Test::a(test2.as_ref()), Test::b(test2.as_ref()));
}

类型系统阻止我们移动数据。

需要注意，栈固定将始终依赖于您在编写unsafe时提供的保证。虽然我们知道&'a mut T所指的对象在生命周期'a中固定，但我们不知道'a结束后数据&'a mut T指向的数据是不是没有移动。如果移动了，就违反了Pin约束。

容易犯的一个错误就是忘记隐藏原始变量，因为您可以dropPin并移动&'a mut T背后的数据，如下所示（这违反了Pin约束）：

fn main() {
   let mut test1 = Test::new("test1");
   let mut test1_pin = unsafe { Pin::new_unchecked(&mut test1) };
   Test::init(test1_pin.as_mut());
   drop(test1_pin);
   println!(r#"test1.b points to "test1": {:?}..."#, test1.b);
   let mut test2 = Test::new("test2");
   mem::swap(&mut test1, &mut test2);
   println!("... and now it points nowhere: {:?}", test1.b);
}

堆上固定

将!Unpin类型固定到堆将为我们的数据提供稳定的地址，所以我们知道指向的数据在固定后将无法移动。与栈固定相反，我们知道数据将在对象的生命周期内固定。

use std::pin::Pin;
use std::marker::PhantomPinned;
​
#[derive(Debug)]
struct Test {
    a: String,
    b: *const String,
    _marker: PhantomPinned,
}
​
impl Test {
    fn new(txt: &str) -> Pin> {
        let t = Test {
            a: String::from(txt),
            b: std::ptr::null(),
            _marker: PhantomPinned,
        };
        let mut boxed = Box::pin(t);
        let self_ptr: *const String = &boxed.as_ref().a;
        unsafe { boxed.as_mut().get_unchecked_mut().b = self_ptr };
​
        boxed
    }
​
    fn a<'a>(self: Pin<&'a Self>) -> &'a str {
        &self.get_ref().a
    }
​
    fn b<'a>(self: Pin<&'a Self>) -> &'a String {
        unsafe { &*(self.b) }
    }
}
​
pub fn main() {
    let mut test1 = Test::new("test1");
    let mut test2 = Test::new("test2");
​
    println!("a: {}, b: {}",test1.as_ref().a(), test1.as_ref().b());
    println!("a: {}, b: {}",test2.as_ref().a(), test2.as_ref().b());
}

有的函数要求与之配合使用的futures是Unpin。对于没有Unpin的Future或Stream，您首先必须使用Box::pin（用于创建Pin>）或pin_utils::pin_mut!宏（用于创建Pin<&mut T>）来固定该值。 Pin>和Pin<&mut Fut>都可以作为futures使用，并且都实现了Unpin。

例如：

use pin_utils::pin_mut; // `pin_utils` is a handy crate available on crates.io
​
// A function which takes a `Future` that implements `Unpin`.
fn execute_unpin_future(x: impl Future
 + Unpin) { /* ... */ }
​
let fut = async { /* ... */ };
execute_unpin_future(fut); // Error: `fut` does not implement `Unpin` trait
​
// Pinning with `Box`:
let fut = async { /* ... */ };
let fut = Box::pin(fut);
execute_unpin_future(fut); // OK
​
// Pinning with `pin_mut!`:
let fut = async { /* ... */ };
pin_mut!(fut);
execute_unpin_future(fut); // OK

总结

1. 如果是T:Unpin（这是默认设置），则Pin <'a, T>完全等于&'a mut T。换句话说：Unpin表示即使固定了此类型也可以移动，因此Pin将对这种类型没有影响。
2. 如果是T:!Unpin，获得已固定T的&mut T需要unsafe。
3. 大多数标准库类型都实现了Unpin。对于您在Rust中遇到的大多数“常规”类型也是如此。由async / await生成的Future是此规则的例外。
4. 您可以在nightly使用功能标记添加!Unpin绑定到一个类型上，或者通过在stable将std::marker::PhantomPinned添加到您的类型上。
5. 您可以将数据固定到栈或堆上。
6. 将!Unpin对象固定到栈上需要unsafe。
7. 将!Unpin对象固定到堆并不需要unsafe。使用Box::pin可以执行此操作。
8. 对于T:!Unpin的固定数据，您必须保持其不可变，即从固定到调用drop为止，其内存都不会失效或重新利用。这是pin约束的重要组成部分。