]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/doc/guide-pointers.md
auto merge of #17432 : nick29581/rust/contrib, r=brson
[rust.git] / src / doc / guide-pointers.md
1 % The Rust Pointer Guide
2
3 Rust's pointers are one of its more unique and compelling features. Pointers
4 are also one of the more confusing topics for newcomers to Rust. They can also
5 be confusing for people coming from other languages that support pointers, such
6 as C++. This guide will help you understand this important topic.
7
8 Be sceptical of non-reference pointers in Rust: use them for a deliberate
9 purpose, not just to make the compiler happy. Each pointer type comes with an
10 explanation about when they are appropriate to use. Default to references
11 unless you're in one of those specific situations.
12
13 You may be interested in the [cheat sheet](#cheat-sheet), which gives a quick
14 overview of the types, names, and purpose of the various pointers.
15
16 # An introduction
17
18 If you aren't familiar with the concept of pointers, here's a short
19 introduction.  Pointers are a very fundamental concept in systems programming
20 languages, so it's important to understand them.
21
22 ## Pointer Basics
23
24 When you create a new variable binding, you're giving a name to a value that's
25 stored at a particular location on the stack. (If you're not familiar with the
26 "heap" vs. "stack", please check out [this Stack Overflow
27 question](http://stackoverflow.com/questions/79923/what-and-where-are-the-stack-and-heap),
28 as the rest of this guide assumes you know the difference.) Like this:
29
30 ```{rust}
31 let x = 5i;
32 let y = 8i;
33 ```
34 | location | value |
35 |----------|-------|
36 | 0xd3e030 | 5     |
37 | 0xd3e028 | 8     |
38
39 We're making up memory locations here, they're just sample values. Anyway, the
40 point is that `x`, the name we're using for our variable, corresponds to the
41 memory location `0xd3e030`, and the value at that location is `5`. When we
42 refer to `x`, we get the corresponding value. Hence, `x` is `5`.
43
44 Let's introduce a pointer. In some languages, there is just one type of
45 'pointer,' but in Rust, we have many types. In this case, we'll use a Rust
46 **reference**, which is the simplest kind of pointer.
47
48 ```{rust}
49 let x = 5i;
50 let y = 8i;
51 let z = &y;
52 ```
53 |location | value    |
54 |-------- |----------|
55 |0xd3e030 | 5        |
56 |0xd3e028 | 8        |
57 |0xd3e020 | 0xd3e028 |
58
59 See the difference? Rather than contain a value, the value of a pointer is a
60 location in memory. In this case, the location of `y`. `x` and `y` have the
61 type `int`, but `z` has the type `&int`. We can print this location using the
62 `{:p}` format string:
63
64 ```{rust}
65 let x = 5i;
66 let y = 8i;
67 let z = &y;
68
69 println!("{:p}", z);
70 ```
71
72 This would print `0xd3e028`, with our fictional memory addresses.
73
74 Because `int` and `&int` are different types, we can't, for example, add them
75 together:
76
77 ```{rust,ignore}
78 let x = 5i;
79 let y = 8i;
80 let z = &y;
81
82 println!("{}", x + z);
83 ```
84
85 This gives us an error:
86
87 ```{notrust,ignore}
88 hello.rs:6:24: 6:25 error: mismatched types: expected `int` but found `&int` (expected int but found &-ptr)
89 hello.rs:6     println!("{}", x + z);
90                                   ^
91 ```
92
93 We can **dereference** the pointer by using the `*` operator. Dereferencing a
94 pointer means accessing the value at the location stored in the pointer. This
95 will work:
96
97 ```{rust}
98 let x = 5i;
99 let y = 8i;
100 let z = &y;
101
102 println!("{}", x + *z);
103 ```
104
105 It prints `13`.
106
107 That's it! That's all pointers are: they point to some memory location. Not
108 much else to them. Now that we've discussed the 'what' of pointers, let's
109 talk about the 'why.'
110
111 ## Pointer uses
112
113 Rust's pointers are quite useful, but in different ways than in other systems
114 languages. We'll talk about best practices for Rust pointers later in
115 the guide, but here are some ways that pointers are useful in other languages:
116
117 In C, strings are a pointer to a list of `char`s, ending with a null byte.
118 The only way to use strings is to get quite familiar with pointers.
119
120 Pointers are useful to point to memory locations that are not on the stack. For
121 example, our example used two stack variables, so we were able to give them
122 names. But if we allocated some heap memory, we wouldn't have that name
123 available.  In C, `malloc` is used to allocate heap memory, and it returns a
124 pointer.
125
126 As a more general variant of the previous two points, any time you have a
127 structure that can change in size, you need a pointer. You can't tell at
128 compile time how much memory to allocate, so you've gotta use a pointer to
129 point at the memory where it will be allocated, and deal with it at run time.
130
131 Pointers are useful in languages that are pass-by-value, rather than
132 pass-by-reference. Basically, languages can make two choices (this is made
133 up syntax, it's not Rust):
134
135 ```{notrust,ignore}
136 fn foo(x) {
137     x = 5
138 }
139
140 fn main() {
141     i = 1
142     foo(i)
143     // what is the value of i here?
144 }
145 ```
146
147 In languages that are pass-by-value, `foo` will get a copy of `i`, and so
148 the original version of `i` is not modified. At the comment, `i` will still be
149 `1`. In a language that is pass-by-reference, `foo` will get a reference to `i`,
150 and therefore, can change its value. At the comment, `i` will be `5`.
151
152 So what do pointers have to do with this? Well, since pointers point to a
153 location in memory...
154
155 ```{notrust,ignore}
156 fn foo(&int x) {
157     *x = 5
158 }
159
160 fn main() {
161     i = 1
162     foo(&i)
163     // what is the value of i here?
164 }
165 ```
166
167 Even in a language which is pass by value, `i` will be `5` at the comment. You
168 see, because the argument `x` is a pointer, we do send a copy over to `foo`,
169 but because it points at a memory location, which we then assign to, the
170 original value is still changed. This pattern is called
171 'pass-reference-by-value.' Tricky!
172
173 ## Common pointer problems
174
175 We've talked about pointers, and we've sung their praises. So what's the
176 downside? Well, Rust attempts to mitigate each of these kinds of problems,
177 but here are problems with pointers in other languages:
178
179 Uninitialized pointers can cause a problem. For example, what does this program
180 do?
181
182 ```{notrust,ignore}
183 &int x;
184 *x = 5; // whoops!
185 ```
186
187 Who knows? We just declare a pointer, but don't point it at anything, and then
188 set the memory location that it points at to be `5`. But which location? Nobody
189 knows. This might be harmless, and it might be catastrophic.
190
191 When you combine pointers and functions, it's easy to accidentally invalidate
192 the memory the pointer is pointing to. For example:
193
194 ```{notrust,ignore}
195 fn make_pointer(): &int {
196     x = 5;
197
198     return &x;
199 }
200
201 fn main() {
202     &int i = make_pointer();
203     *i = 5; // uh oh!
204 }
205 ```
206
207 `x` is local to the `make_pointer` function, and therefore, is invalid as soon
208 as `make_pointer` returns. But we return a pointer to its memory location, and
209 so back in `main`, we try to use that pointer, and it's a very similar
210 situation to our first one. Setting invalid memory locations is bad.
211
212 As one last example of a big problem with pointers, **aliasing** can be an
213 issue. Two pointers are said to alias when they point at the same location
214 in memory. Like this:
215
216 ```{notrust,ignore}
217 fn mutate(&int i, int j) {
218     *i = j;
219 }
220
221 fn main() {
222   x = 5;
223   y = &x;
224   z = &x; //y and z are aliased
225
226
227   run_in_new_thread(mutate, y, 1);
228   run_in_new_thread(mutate, z, 100);
229
230   // what is the value of x here?
231 }
232 ```
233
234 In this made-up example, `run_in_new_thread` spins up a new thread, and calls
235 the given function name with its arguments. Since we have two threads, and
236 they're both operating on aliases to `x`, we can't tell which one finishes
237 first, and therefore, the value of `x` is actually non-deterministic. Worse,
238 what if one of them had invalidated the memory location they pointed to? We'd
239 have the same problem as before, where we'd be setting an invalid location.
240
241 ## Conclusion
242
243 That's a basic overview of pointers as a general concept. As we alluded to
244 before, Rust has different kinds of pointers, rather than just one, and
245 mitigates all of the problems that we talked about, too. This does mean that
246 Rust pointers are slightly more complicated than in other languages, but
247 it's worth it to not have the problems that simple pointers have.
248
249 # References
250
251 The most basic type of pointer that Rust has is called a 'reference.' Rust
252 references look like this:
253
254 ```{rust}
255 let x = 5i;
256 let y = &x;
257
258 println!("{}", *y);
259 println!("{:p}", y);
260 println!("{}", y);
261 ```
262
263 We'd say "`y` is a reference to `x`." The first `println!` prints out the
264 value of `y`'s referent by using the dereference operator, `*`. The second
265 one prints out the memory location that `y` points to, by using the pointer
266 format string. The third `println!` *also* prints out the value of `y`'s
267 referent, because `println!` will automatically dereference it for us.
268
269 Here's a function that takes a reference:
270
271 ```{rust}
272 fn succ(x: &int) -> int { *x + 1 }
273 ```
274
275 You can also use `&` as an operator to create a reference, so we can
276 call this function in two different ways:
277
278 ```{rust}
279 fn succ(x: &int) -> int { *x + 1 }
280
281 fn main() {
282
283     let x = 5i;
284     let y = &x;
285
286     println!("{}", succ(y));
287     println!("{}", succ(&x));
288 }
289 ```
290
291 Both of these `println!`s will print out `6`.
292
293 Of course, if this were real code, we wouldn't bother with the reference, and
294 just write:
295
296 ```{rust}
297 fn succ(x: int) -> int { x + 1 }
298 ```
299
300 References are immutable by default:
301
302 ```{rust,ignore}
303 let x = 5i;
304 let y = &x;
305
306 *y = 5; // error: cannot assign to immutable dereference of `&`-pointer `*y`
307 ```
308
309 They can be made mutable with `mut`, but only if its referent is also mutable.
310 This works:
311
312 ```{rust}
313 let mut x = 5i;
314 let y = &mut x;
315 ```
316
317 This does not:
318
319 ```{rust,ignore}
320 let x = 5i;
321 let y = &mut x; // error: cannot borrow immutable local variable `x` as mutable
322 ```
323
324 Immutable pointers are allowed to alias:
325
326 ```{rust}
327 let x = 5i;
328 let y = &x;
329 let z = &x;
330 ```
331
332 Mutable ones, however, are not:
333
334 ```{rust,ignore}
335 let mut x = 5i;
336 let y = &mut x;
337 let z = &mut x; // error: cannot borrow `x` as mutable more than once at a time
338 ```
339
340 Despite their complete safety, a reference's representation at runtime is the
341 same as that of an ordinary pointer in a C program. They introduce zero
342 overhead. The compiler does all safety checks at compile time. The theory that
343 allows for this was originally called **region pointers**. Region pointers
344 evolved into what we know today as **lifetimes**.
345
346 Here's the simple explanation: would you expect this code to compile?
347
348 ```{rust,ignore}
349 fn main() {
350     println!("{}", x);
351     let x = 5;
352 }
353 ```
354
355 Probably not. That's because you know that the name `x` is valid from where
356 it's declared to when it goes out of scope. In this case, that's the end of
357 the `main` function. So you know this code will cause an error. We call this
358 duration a 'lifetime'. Let's try a more complex example:
359
360 ```{rust}
361 fn main() {
362     let x = &mut 5i;
363
364     if *x < 10 {
365         let y = &x;
366
367         println!("Oh no: {}", y);
368         return;
369     }
370
371     *x -= 1;
372
373     println!("Oh no: {}", x);
374 }
375 ```
376
377 Here, we're borrowing a pointer to `x` inside of the `if`. The compiler, however,
378 is able to determine that that pointer will go out of scope without `x` being
379 mutated, and therefore, lets us pass. This wouldn't work:
380
381 ```{rust,ignore}
382 fn main() {
383     let x = &mut 5i;
384
385     if *x < 10 {
386         let y = &x;
387         *x -= 1;
388
389         println!("Oh no: {}", y);
390         return;
391     }
392
393     *x -= 1;
394
395     println!("Oh no: {}", x);
396 }
397 ```
398
399 It gives this error:
400
401 ```{notrust,ignore}
402 test.rs:5:8: 5:10 error: cannot assign to `*x` because it is borrowed
403 test.rs:5         *x -= 1;
404                   ^~
405 test.rs:4:16: 4:18 note: borrow of `*x` occurs here
406 test.rs:4         let y = &x;
407                           ^~
408 ```
409
410 As you might guess, this kind of analysis is complex for a human, and therefore
411 hard for a computer, too! There is an entire [guide devoted to references
412 and lifetimes](guide-lifetimes.html) that goes into lifetimes in
413 great detail, so if you want the full details, check that out.
414
415 ## Best practices
416
417 In general, prefer stack allocation over heap allocation. Using references to
418 stack allocated information is preferred whenever possible. Therefore,
419 references are the default pointer type you should use, unless you have
420 specific reason to use a different type. The other types of pointers cover when
421 they're appropriate to use in their own best practices sections.
422
423 Use references when you want to use a pointer, but do not want to take ownership.
424 References just borrow ownership, which is more polite if you don't need the
425 ownership. In other words, prefer:
426
427 ```{rust}
428 fn succ(x: &int) -> int { *x + 1 }
429 ```
430
431 to
432
433 ```{rust}
434 fn succ(x: Box<int>) -> int { *x + 1 }
435 ```
436
437 As a corollary to that rule, references allow you to accept a wide variety of
438 other pointers, and so are useful so that you don't have to write a number
439 of variants per pointer. In other words, prefer:
440
441 ```{rust}
442 fn succ(x: &int) -> int { *x + 1 }
443 ```
444
445 to
446
447 ```{rust}
448 fn box_succ(x: Box<int>) -> int { *x + 1 }
449
450 fn rc_succ(x: std::rc::Rc<int>) -> int { *x + 1 }
451 ```
452
453 # Boxes
454
455 `Box<T>` is Rust's 'boxed pointer' type. Boxes provide the simplest form of
456 heap allocation in Rust. Creating a box looks like this:
457
458 ```{rust}
459 let x = box(std::boxed::HEAP) 5i;
460 ```
461
462 `box` is a keyword that does 'placement new,' which we'll talk about in a bit.
463 `box` will be useful for creating a number of heap-allocated types, but is not
464 quite finished yet. In the meantime, `box`'s type defaults to
465 `std::boxed::HEAP`, and so you can leave it off:
466
467 ```{rust}
468 let x = box 5i;
469 ```
470
471 As you might assume from the `HEAP`, boxes are heap allocated. They are
472 deallocated automatically by Rust when they go out of scope:
473
474 ```{rust}
475 {
476     let x = box 5i;
477
478     // stuff happens
479
480 } // x is destructed and its memory is free'd here
481 ```
482
483 However, boxes do _not_ use reference counting or garbage collection. Boxes are
484 what's called an **affine type**. This means that the Rust compiler, at compile
485 time, determines when the box comes into and goes out of scope, and inserts the
486 appropriate calls there. Furthermore, boxes are a specific kind of affine type,
487 known as a **region**. You can read more about regions [in this paper on the
488 Cyclone programming
489 language](http://www.cs.umd.edu/projects/cyclone/papers/cyclone-regions.pdf).
490
491 You don't need to fully grok the theory of affine types or regions to grok
492 boxes, though. As a rough approximation, you can treat this Rust code:
493
494 ```{rust}
495 {
496     let x = box 5i;
497
498     // stuff happens
499 }
500 ```
501
502 As being similar to this C code:
503
504 ```{notrust,ignore}
505 {
506     int *x;
507     x = (int *)malloc(sizeof(int));
508
509     // stuff happens
510
511     free(x);
512 }
513 ```
514
515 Of course, this is a 10,000 foot view. It leaves out destructors, for example.
516 But the general idea is correct: you get the semantics of `malloc`/`free`, but
517 with some improvements:
518
519 1. It's impossible to allocate the incorrect amount of memory, because Rust
520    figures it out from the types.
521 2. You cannot forget to `free` memory you've allocated, because Rust does it
522    for you.
523 3. Rust ensures that this `free` happens at the right time, when it is truly
524    not used. Use-after-free is not possible.
525 4. Rust enforces that no other writeable pointers alias to this heap memory,
526    which means writing to an invalid pointer is not possible.
527
528 See the section on references or the [lifetimes guide](guide-lifetimes.html)
529 for more detail on how lifetimes work.
530
531 Using boxes and references together is very common. For example:
532
533 ```{rust}
534 fn add_one(x: &int) -> int {
535     *x + 1
536 }
537
538 fn main() {
539     let x = box 5i;
540
541     println!("{}", add_one(&*x));
542 }
543 ```
544
545 In this case, Rust knows that `x` is being 'borrowed' by the `add_one()`
546 function, and since it's only reading the value, allows it.
547
548 We can borrow `x` multiple times, as long as it's not simultaneous:
549
550 ```{rust}
551 fn add_one(x: &int) -> int {
552     *x + 1
553 }
554
555 fn main() {
556     let x = box 5i;
557
558     println!("{}", add_one(&*x));
559     println!("{}", add_one(&*x));
560     println!("{}", add_one(&*x));
561 }
562 ```
563
564 Or as long as it's not a mutable borrow. This will error:
565
566 ```{rust,ignore}
567 fn add_one(x: &mut int) -> int {
568     *x + 1
569 }
570
571 fn main() {
572     let x = box 5i;
573
574     println!("{}", add_one(&*x)); // error: cannot borrow immutable dereference 
575                                   // of `&`-pointer as mutable
576 }
577 ```
578
579 Notice we changed the signature of `add_one()` to request a mutable reference.
580
581 ## Best practices
582
583 Boxes are appropriate to use in two situations: Recursive data structures,
584 and occasionally, when returning data.
585
586 ### Recursive data structures
587
588 Sometimes, you need a recursive data structure. The simplest is known as a
589 'cons list':
590
591
592 ```{rust}
593 #[deriving(Show)]
594 enum List<T> {
595     Cons(T, Box<List<T>>),
596     Nil,
597 }
598
599 fn main() {
600     let list: List<int> = Cons(1, box Cons(2, box Cons(3, box Nil)));
601     println!("{}", list);
602 }
603 ```
604
605 This prints:
606
607 ```{notrust,ignore}
608 Cons(1, box Cons(2, box Cons(3, box Nil)))
609 ```
610
611 The reference to another `List` inside of the `Cons` enum variant must be a box,
612 because we don't know the length of the list. Because we don't know the length,
613 we don't know the size, and therefore, we need to heap allocate our list.
614
615 Working with recursive or other unknown-sized data structures is the primary
616 use-case for boxes.
617
618 ### Returning data
619
620 This is important enough to have its own section entirely. The TL;DR is this:
621 you don't generally want to return pointers, even when you might in a language
622 like C or C++.
623
624 See [Returning Pointers](#returning-pointers) below for more.
625
626 # Rc and Arc
627
628 This part is coming soon.
629
630 ## Best practices
631
632 This part is coming soon.
633
634 # Gc
635
636 The `Gc<T>` type exists for historical reasons, and is [still used
637 internally](https://github.com/rust-lang/rust/issues/7929) by the compiler.
638 It is not even a 'real' garbage collected type at the moment.
639
640 In the future, Rust may have a real garbage collected type, and so it
641 has not yet been removed for that reason.
642
643 ## Best practices
644
645 There is currently no legitimate use case for the `Gc<T>` type.
646
647 # Raw Pointers
648
649 This part is coming soon.
650
651 ## Best practices
652
653 This part is coming soon.
654
655 # Returning Pointers
656
657 In many languages with pointers, you'd return a pointer from a function
658 so as to avoid copying a large data structure. For example:
659
660 ```{rust}
661 struct BigStruct {
662     one: int,
663     two: int,
664     // etc
665     one_hundred: int,
666 }
667
668 fn foo(x: Box<BigStruct>) -> Box<BigStruct> {
669     return box *x;
670 }
671
672 fn main() {
673     let x = box BigStruct {
674         one: 1,
675         two: 2,
676         one_hundred: 100,
677     };
678
679     let y = foo(x);
680 }
681 ```
682
683 The idea is that by passing around a box, you're only copying a pointer, rather
684 than the hundred `int`s that make up the `BigStruct`.
685
686 This is an antipattern in Rust. Instead, write this:
687
688 ```{rust}
689 struct BigStruct {
690     one: int,
691     two: int,
692     // etc
693     one_hundred: int,
694 }
695
696 fn foo(x: Box<BigStruct>) -> BigStruct {
697     return *x;
698 }
699
700 fn main() {
701     let x = box BigStruct {
702         one: 1,
703         two: 2,
704         one_hundred: 100,
705     };
706
707     let y = box foo(x);
708 }
709 ```
710
711 This gives you flexibility without sacrificing performance.
712
713 You may think that this gives us terrible performance: return a value and then
714 immediately box it up ?! Isn't that the worst of both worlds? Rust is smarter
715 than that. There is no copy in this code. main allocates enough room for the
716 `box , passes a pointer to that memory into foo as x, and then foo writes the
717 value straight into that pointer. This writes the return value directly into
718 the allocated box.
719
720 This is important enough that it bears repeating: pointers are not for
721 optimizing returning values from your code. Allow the caller to choose how they
722 want to use your output.
723
724 # Creating your own Pointers
725
726 This part is coming soon.
727
728 ## Best practices
729
730 This part is coming soon.
731
732 # Patterns and `ref`
733
734 When you're trying to match something that's stored in a pointer, there may be
735 a situation where matching directly isn't the best option available. Let's see
736 how to properly handle this:
737
738 ```{rust,ignore}
739 fn possibly_print(x: &Option<String>) {
740     match *x {
741         // BAD: cannot move out of a `&`
742         Some(s) => println!("{}", s)
743
744         // GOOD: instead take a reference into the memory of the `Option`
745         Some(ref s) => println!("{}", *s),
746         None => {}
747     }
748 }
749 ```
750
751 The `ref s` here means that `s` will be of type `&String`, rather than type
752 `String`.
753
754 This is important when the type you're trying to get access to has a destructor
755 and you don't want to move it, you just want a reference to it.
756
757 # Cheat Sheet
758
759 Here's a quick rundown of Rust's pointer types:
760
761 | Type         | Name                | Summary                                                             |
762 |--------------|---------------------|---------------------------------------------------------------------|
763 | `&T`         | Reference           | Allows one or more references to read `T`                           |
764 | `&mut T`     | Mutable Reference   | Allows a single reference to read and write `T`                     |
765 | `Box<T>`     | Box                 | Heap allocated `T` with a single owner that may read and write `T`. |
766 | `Rc<T>`      | "arr cee" pointer   | Heap allocated `T` with many readers                                |
767 | `Arc<T>`     | Arc pointer         | Same as above, but safe sharing across threads                      |
768 | `*const T`   | Raw pointer         | Unsafe read access to `T`                                           |
769 | `*mut T`     | Mutable raw pointer | Unsafe read and write access to `T`                                 |
770
771 # Related resources
772
773 * [API documentation for Box](std/boxed/index.html)
774 * [Lifetimes guide](guide-lifetimes.html)
775 * [Cyclone paper on regions](http://www.cs.umd.edu/projects/cyclone/papers/cyclone-regions.pdf), which inspired Rust's lifetime system