Rust如何自定义实现swap交换函数及解决生命周期报错问题

错误原因分析 #

你之前的两次实现都没有抓住swap的核心要求：交换两个可变引用指向的底层内存中的值，而非交换引用本身的指向：

1. 第一版实现的问题
   • 操作对象是a、b两个可变引用变量本身，没有解引用操作，根本碰不到底层存储的值
   • Rust默认会给两个独立的&mut T参数分配不同的生命周期，你试图将生命周期不同的引用互相赋值，自然会报生命周期不匹配的错误
   • 哪怕你手动给两个参数标注相同的生命周期让编译通过，也只是完成了函数本地引用指向的交换，对外部传入的变量没有任何影响
2. 第二版修改后的问题
   • 主动把&mut T改成了不可变引用&T，直接丢失了修改底层值的权限
   • 签名中的mut a、mut b只是修饰函数本地的参数变量，修改这两个变量仅作用于函数栈帧，函数退出后修改完全无效，因此编译器会提示赋值未使用的警告

正确实现 #

1. 带trait约束的安全实现 #

如果可以接受泛型参数T满足Default约束，可以用完全安全的代码实现：

pub fn swap<T: Default>(a: &mut T, b: &mut T) {
    let temp = std::mem::take(a);
    *a = std::mem::take(b);
    *b = temp;
}

该实现借助std::mem::take取出引用指向的值，替换为对应类型的默认值，不需要任何unsafe代码，但是仅支持实现了Default trait的类型。

2. 支持所有类型的通用实现（和标准库行为对齐） #

如果需要和标准库的std::mem::swap一样支持任意类型T，需要借助unsafe操作绕开安全Rust的借用规则限制，直接操作裸指针完成内存拷贝：

use std::ptr;

pub fn swap<T>(a: &mut T, b: &mut T) {
    // 两个指针指向同一个地址时不需要交换，避免未定义行为
    if ptr::eq(a, b) {
        return;
    }
    // 在栈上申请一块和T大小、对齐一致的未初始化内存作为临时存储
    let mut temp = std::mem::MaybeUninit::<T>::uninit();
    unsafe {
        // 将a指向的值拷贝到临时存储
        ptr::copy_nonoverlapping(a as *mut T, temp.as_mut_ptr(), 1);
        // 将b指向的值拷贝到a的位置
        ptr::copy_nonoverlapping(b as *mut T, a as *mut T, 1);
        // 将临时存储中a的旧值拷贝到b的位置
        ptr::copy_nonoverlapping(temp.as_ptr(), b as *mut T, 1);
    }
}

注：unsafe块的安全性由代码编写者保证：传入的两个可变引用都是合法、对齐、非悬垂的，且非重叠的情况已经提前判断，因此不会出现未定义行为。

功能验证 #

可以用以下代码验证swap的正确性：

fn main() {
    // 验证基础类型
    let mut x = 1;
    let mut y = 2;
    swap(&mut x, &mut y);
    assert_eq!(x, 2);
    assert_eq!(y, 1);

    // 验证动态长度类型
    let mut s1 = String::from("hello");
    let mut s2 = String::from("world");
    swap(&mut s1, &mut s2);
    assert_eq!(s1, "world");
    assert_eq!(s2, "hello");
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者hkBst