本文将深入探讨 Rust 语言中的 vec::Drain 及其 Drop 实现，作为所有权如何防止内存及其他微妙错误的一个例子。
目标读者：能够阅读 Rust 代码，并对其所有权语义及 Drop 特性有基本（且仅是基本）理解的开发者。
引言
在读《The Rust Programming Language》书籍时，偶然发现了 Vec::drain 方法。
常见的编程语言中，没有见过以 drain 命名的方法，这引起了我的好奇心。
什么是 Vec::drain？
如果你不熟悉 Vec::drain，可以像下面这样使用它从 Vec 中抽取元素（类似的方法还存在于 String、HashMap 及其他多种集合类型中）：
let mut values = vec![1, 2, 3, 4, 5];
for val in values.drain(1..3) {
println!("Removed: {}", val);
}
println!("Remaining: {:?}", values);
这段代码的输出为：
Removed: 2
Removed: 3
Remaining: [1, 4, 5]
文档描述
截至 Rust 1.83，文档对 Vec::drain 的描述如下（加粗部分为重点）：
批量移除向量中指定范围的元素，返回所有被移除元素的迭代器。如果在完全消费之前迭代器被丢弃，它会丢弃剩余被移除的元素。
返回的迭代器保持对向量的可变借用，以优化其实现。
最后一句，特别是我加粗的部分，引起了我的注意，并促使我深入研究其实现。
Vec::drain 的内部实现
一种合理的实现方式
一种完全合理的实现方法是：接收 Vec，复制出所有要移除的元素并放入新的 Vec，更新原始 Vec 以移除这些元素，并返回由新分配的 Vec 支持的迭代器。
然而，这种方法对于计算机来说可能需要大量的前期工作。
如果 Vec 很大（包含数千或数百万个元素）且操作的是中间的一部分，
这将导致大量额外的内存分配和复制操作，甚至在确定是否使用这些值之前。
Rust 的独特实现
因此，Rust 在这里采取了完全不同的方法：它保留了对原始 Vec 的可变引用，并仅从原始存储中读取和更新。
这得益于 Rust 的所有权规则：
- 只要
Vec::drain返回的迭代器存在，其他任何地方都无法对原始Vec进行读写访问， - 因此无法通过使迭代器或其支持的存储失效来使其处于错误状态（例如，改变
Vec中的值，改变其长度等）。
Rust 通过创建一个新的数据结构 Drain 来实现这一点，该结构合理地命名，并持有对原始 Vec 的可变引用以及一个用于访问 Vec 值的迭代器。
使用 Drain 上的迭代器方法时，它会转发到对切片的迭代器。这意味着它不需要自己实现迭代，而是可以使用与对切片迭代相同的（经过优化的）实现。
唯一的区别（也是关键的区别）是 drain 通过 unsafe std::ptr::read 调用立即从切片中返回值。
内存安全性保障
如果在 Drain 迭代器访问期间或之后有人能访问 Vec 中的值，或者 Vec 记住所有 Drain 访问的元素，这将是不安全的。
然而，如前所述，只要 Drain 迭代器存在，就无法访问 Vec，因为它通过可变引用持有自身。
因此，对于熟悉 Rust 的开发者来说，这部分内容应该相当直接，std::ptr::read 是唯一不寻常的部分。
Drain 的 Drop 实现
Drop 实现的重要性
当迭代器被丢弃——无论是因为在 for 循环中遍历完毕，还是因为在迭代部分元素后手动丢弃——Drain 类型的 Drop 实现会接管。
这意味着 impl Drop for Drain 负责确保 Drain 的不安全清理保持合理，同时避免内存泄漏，
即 Drain 创建时 Vec 遗忘的内存（稍后会详细讨论）。
常见模式与安全性
这是 Rust 中一种常见且值得理解的模式，同时也非常巧妙。 我们将一步步详细讲解——包括所有实现中的代码（截至 Rust 1.85 nightly 版本）。 你可能需要将这些代码与本文并排查看，以便更好地理解上下文！
Drop Trait 的实现
impl<T> Drop for Drain<'_, T> {
fn drop(&mut self) {
// ...
}
}
需要注意的是，drop 接受 &mut self。这意味着我们无法做任何需要拥有 self 所有权的操作，这进一步引出了下一个内容。
DropGuard 结构体
/// 将未被 `Drain` 移除的元素移动回来，以恢复原始的 `Vec`。
struct DropGuard<'r, 'a, T>(&'r mut Drain<'a, T>);
这是一个内部数据结构，仅在此函数体内可用。其目的是确保在正确的位置将所有内容移回原始 Vec。
impl<'r, 'a, T> Drop for DropGuard<'r, 'a, T> {
fn drop(&mut self) {
// 实现细节（稍后详细讨论）
}
}
内存操作与安全性
DropGuard 的 Drop 实现确保即使在发生恐慌（panic）的情况下，也能正确地将元素移回原始位置，保持内存安全。
处理 Drain 的构造
在 Drain 被构造时，Vec::drain 方法通过以下代码行确保即使 Drain 被泄漏，也不会破坏安全性：
// set self.vec length's to start, to be safe in case Drain is leaked
self.set_len(start);
这实际上是截断 Vec，确保它不包含被 drain 移除的范围内的元素。
即使有人调用 std::mem::forget 来泄漏 Drain，也不会破坏安全性，只会导致内存泄漏，这是可控的。
DropGuard 的工作机制
当迭代器被丢弃时，DropGuard 确保所有未被消耗的元素被正确地丢弃，同时恢复原始 Vec 的长度。
这通过以下代码实现：
let iter = mem::take(&mut self.iter);
let drop_len = iter.len();
if drop_len == 0 {
return;
}
let _guard = DropGuard(self);
DropGuard 的存在确保即使在 drop_in_place 调用时发生恐慌，也能保持内存和 Vec 的有效性。
性能与安全性的平衡
Rust 的实现通过仅在必要时移动元素，最大限度地减少了计算和内存开销。
这对于处理大型 Vec 特别重要，因为它避免了不必要的内存分配和复制操作。
结论
通过深入了解 Vec::drain 及其 Drop 实现，我们可以看到 Rust 如何利用所有权语义来提供高性能和内存安全的保障。
具体来说：
- 原始的
Vec在使用drain期间及之后永远不会处于无效状态。 - 该
Vec的迭代器永远不会被无效化。 - 即使在面对不良行为的实现（只要没有不安全代码），上述两点依然成立。
- 最坏的情况是内存泄漏，但这依然是安全的。
此外，DropGuard 的使用展示了 Rust 如何通过所有权和析构函数自动管理资源，而无需依赖特殊的语言结构。
