Rust的Cow類型有什麼用？詳解Cow及其用途

来源:https://www.cnblogs.com/cinea/p/18040997
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Rust的智能指針有哪些？大多數人都能馬上答出Box<T>、Rc<T>和Arc<T>、Ref<T>和在非同步編程中很常見的Pin<P>等等。不過，有一個可能經常被大多數人遺忘的類型，它功能強大，利用好了可以節省很多複製開銷；它就是這篇文章的主角：Cow<B>。 什麼是COW（Copy-On-Write ...


Rust的智能指針有哪些？大多數人都能馬上答出Box<T>、Rc<T>和Arc<T>、Ref<T>和在非同步編程中很常見的Pin<P>等等。不過，有一個可能經常被大多數人遺忘的類型，它功能強大，利用好了可以節省很多複製開銷；它就是這篇文章的主角：Cow<B>。

什麼是COW（Copy-On-Write）？

在開始之前，有必要先介紹一下COW（Copy-On-Write，寫時複製）的概念。COW是一種用於資源管理的優化策略，在操作系統中應用非常廣泛。COW的核心思想是當多個任務需要讀取同一個資源（比如記憶體中的數據、文件）的時候，它們會共用同一份資源副本，而不是為每個任務複製一份資源副本。只有當某個任務需要修改這個資源時，才會為這個任務創建一份資源副本。

需要註意的是，上述的整個過程對任務（也就是程式員編寫的用戶程式）來說都是不可見的；對程式員來說，他並不知道他所使用的資源在發生寫操作時才被真正地複製了一份，自始至終他仿佛就像在獨占整份資源一樣。

COW在文件系統、虛擬記憶體管理中都有非常成熟的應用；在編程語言中，也被廣泛應用於優化字元串、集合的處理。

Cow：定義

Rust的Cow<B>是一個枚舉類型，包含兩個成員：Borrowed和Owned。不過，我們幾乎不會直接用到它的成員，因為Cow<B>實現了Deref特征，這使得我們可以通過Deref轉換這一語法糖來便捷地直接使用Cow<B>中的內容。有關Deref轉換可以閱讀我之前的文章。

pub enum Cow<'a, B>
where
    B: 'a + ToOwned + ?Sized,
{
    Borrowed(&'a B),
    Owned(<B as ToOwned>::Owned),
}

需要註意一下Cow的模板參數。Cow接受一個生命周期和一個類型B，其中類型B需要實現ToOwned特征；ToOwned特征的介紹可以看之前的文章，這裡僅僅提一下所有實現了Clone的類型都會自動實現ToOwned自身。除此以外，成員Owned的內容類型不是類型B本身，而是類型B的ToOwned的目標類型（例如對str來說，這個類型是String）。

使用方法

這裡是一段Cow<B>的簡單使用範例：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let foo = "Hello World";
    let mut bar: Cow<str> = Cow::from(foo);
    println!("{bar}");      // 這裡沒有發生複製
    
    bar.to_mut().push_str(" Rust");  // 這裡發生了複製
    println!("{bar}");
    
    println!("{foo}");      // 原來的字元串foo仍然可用，而且沒有變化
}

Cow的構造

Cow<B>是一個枚舉，所以首先它是可以直接從它的成員Borrowed和Owned來構造的：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str_ = "Hello World";
    let string = String::from("Hello World!");
    
    let foo: Cow<str> = Cow::Borrowed(str_);
    let bar: Cow<str> = Cow::Owned(string);
    
    // 這裡string不再可用
    // println!("{string}");
}

除此以外，標準庫中的五對實現了ToOwned的類型（str/String，[T]/Vec<T>，CStr/CString，OsStr/OsString，Path/PathBuf）也可以使用From::from來構造Cow<B>：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str_ = "Hello World";
    let string = String::from("Hello World!");
    
    let foo: Cow<str> = Cow::from(str_);	// from -> Borrowed
    let bar: Cow<str> = Cow::from(string);	// from -> Owned
    
    // 這裡string不再可用
    // println!("{string}");
}

使用From::from時，Rust會自動為我們匹配正確的類型（&'a str/String等），一般情況下推薦使用from來構造Cow，而不是手動指定Borrowed/Owned。

deref和to_mut

前面提到過，Cow<B>實現了Deref<B>特征，這意味著我們不需要做任何操作就可以享受Deref轉換的語法糖：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello World";
    let cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    let str2: &str = &cow;  // 註意看，我們把&Cow<str>賦給了&str
    
    println!("{str2}"); // Hello World
    println!("{cow}");  // Hello World
    println!("{str1}"); // Hello World
}

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello World";
    let cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    
    cow.split(" ").for_each(|s|println!("{s}"));	// 使用str的方法split也不在話下
}

不過，Cow<B>並沒有實現DerefMut；這意味著我們對Cow的修改不會影響到底層的內容，相反地，當我們試圖修改Cow時，Cow會生成一個副本，並且修改這個擁有所有權的副本：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello";
    let mut cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    
    cow += " World";
    
    println!("cow = {cow}");	// cow = Hello World
    println!("str1 = {str1}");	// str1 = Hello 
}

我們可以多加一點輸出代碼，來看看具體發生了什麼：

#![feature(cow_is_borrowed)]
use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello";
    let mut cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    
    println!("cow = {cow}, borrowed = {}", cow.is_borrowed());	// cow = Hello, borrowed = true
    
    cow += " World";
    
    println!("cow = {cow}, borrowed = {}", cow.is_borrowed());	// cow = Hello World, borrowed = false
    println!("str1 = {str1}");									// str1 = Hello
}

修改了cow變數後，它不再處於借用狀態，而是擁有了這段字元串的所有權——這也是它能夠安全地修改這段字元串的關鍵。

除了直接對Cow<str>使用str中實現的方法來修改字元串之外，還可以使用to_mut()來獲取&String來使用String中實現的方法來修改字元串：

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello";
    let mut cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    
    cow.to_mut().push_str(" World");
    
    println!("cow = {cow}");	// cow = Hello World
    println!("str1 = {str1}");	// str1 = Hello 
}

再重覆一遍：使用to_mut()修改和直接修改Cow<B>的不同在於，to_mut()返回的是&mut <B as ToOwned>::Owned（例如String），可以使用B的Owned類型（例如String）中額外實現的方法（例如String::push_str）；修改Cow<B>的時候，只能使用B中實現的方法（例如上面的+=，也就是str::add_assign）。

消費Cow

在不再需要使用Cow，或者想要完整取得Cow中的對象的所有權的時候，我們可以使用Cow::into_owned方法來消費掉Cow。方法返回的是B的Owned類型（例如String）。

use std::borrow::Cow;

fn main() {
    let str1 = "Hello";
    let mut cow: Cow<str> = Cow::from(str1);
    
    cow.to_mut().push_str(" World");
    
    let owned: String = cow.into_owned();
    
    println!("{owned}");    // Hello World
    println!("{str1}");	    // Hello 
}

在消費掉Cow之後，Cow將不再可用，但它之前借用的原數據不受影響。

用途

說了這麼多，Cow到底有什麼用呢？少複製幾次數據真的那麼重要嗎？讓我們看看標準庫中的String::from_utf8_lossy方法吧。

String::from_utf8_lossy是一個把一個位元組切片（&[u8]）按照UTF-8轉換成&str的方法，並且會用“�”字元來替換掉位元組切片中UTF-8不支持的字元。舉個例子：

// 不包含錯誤位元組的情況
fn main() {
    let hello = vec![72, 69, 76, 76, 79];
    let hello = String::from_utf8_lossy(&hello);
    assert_eq!("HELLO", hello);
}

以及：

// 包含錯誤位元組的情況
fn main() {
    let input = b"Hello \xF0\x90\x80World";
    let output = String::from_utf8_lossy(input);
    assert_eq!("Hello �World", output);
}

現在假設我們是Rust標準庫API的設計師，我們要為from_utf8_lossy方法選擇一個恰當的返回類型。

返回&str可以嗎？

最直接的想法就是返回一個&str，就像這樣：

fn from_utf8_lossy<'a>(v: &'a [u8]) -> &'a str {
   todo!()
}

這種方案可以嗎？仔細想想，當位元組切片中有UTF-8中不支持的錯誤字元時，錯誤字元需要被替換成“�”；直接返回&str的話是做不了對字元串內容的修改的。

返回String呢？

順著剛纔的思路，因為我們可能需要修改字元串，所以我們就需要返回&str的棧上類型String，合情合理：

fn from_utf8_lossy(v: &[u8]) -> String {
   todo!()
}

不過，另一個問題冒出來了：雖然返回String完美地解決了修改字元串之後會導致新字元串無處存放的問題，但是如果舊的字元串（位元組切片）不需要修改的話，也需要被覆制到String中，這無形中增加了很多不必要的消耗；而且，位元組切片中有錯誤字元是概率很小的事件，為了小概率事件影響拖累大概率發生的正常情況的性能，這值得嗎？

這時，我一拍大腿：在需要修改時返回String，不需要修改時返回&str不就好了？

返回(Option<&str>, Option<String>)（或者Either<&str, String>）

這樣，上面所描述的性能和功能矛盾就解決了：

fn from_utf8_lossy<'a>(v: &'a [u8]) -> (Option<&'a str>, Option<String>) {
   todo!()
}

但這種解決方式也不是沒問題的：太複雜了……而且需要用戶判斷返回的是&str還是String。不過，這個要麼返回借用的&str、要麼返回有所有權的String的東西，是不是感覺有點眼熟？

這不就是Cow<str>嘛！

最終方案：返回Cow<str>

經過一番艱難而複雜的思考，我們最終得到了最恰當的結果：

fn from_utf8_lossy(v: &[u8]) -> Cow<'_, str> {
    todo!()
}

使用了Cow<str>之後，它不僅可以在需要修改字元串時克隆並返回新數據，更可以在絕大多數普通情況之下直接借用數據；更妙的是，它可以享受Deref轉換的語法糖，可謂十分完美！

總結

Cow是Rust中非常有用的一個類型，雖然日常開發中幾乎用不到它，但是某些性能敏感的場景下善用Cow說不定會有奇效喔~


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