Rust中的Pin详解

相关概念

Pin<P<T>>

这是一个struct，作用就是将P所指向的T在内存中固定住，不能移动。说白一些，就是不能通过safe代码拿到&mut T。

Pin<P>定义如下：

pub struct Pin<P> {
    pointer: P,
}

Unpin

这是一个trait，定义在std::marker中，如果一个T: Unpin，就说明T在pin后可以安全的移动，实际就是可以拿到&mut T。

pub auto trait Unpin {}

!Unpin

对Unpin取反，!Unpin的双重否定就是pin。如果一个类型中包含了PhantomPinned，那么这个类型就是!Unpin。

pub struct PhantomPinned;

#[stable(feature = "pin", since = "1.33.0")]
impl !Unpin for PhantomPinned {}

Pin<P>的实现

我们这里只关注safe方法，重点是new方法：

impl<P: Deref<Target: Unpin>> Pin<P> {
    pub fn new(pointer: P) -> Pin<P> {
        unsafe { Pin::new_unchecked(pointer) }
    }
}

可以看出，只有P所指向的T: Unpin，才可以new出一个Pin<P<T>>。这里的T就是应该被pin的实例，可是由于T: Unpin实际上T的实例并不会被pin。也就是说，T没有实现Unpin trait时，T才会被真正的pin住。

由于Pin::new方法要求T: Unpin，通常创建一个不支持Unpin的T的pin实例的方法是用Box::pin方法，定义如下：

pub fn pin(x: T) -> Pin<Box<T>> {
    (box x).into()
}

例如，自定义了Node结构，如下的代码生成pin实例：

let node_pined: Pin<Box<Node>> = Box::pin(Node::new());
let movded_node_pined = node_pined;

Node没有实现Unpin时，通过Pin的安全方法都不能得到&mut Node，所以就不能移动Node实例。注意，这里是不能移动Node实例，node_pined是Pin实例，是可以移动的。

当然，通过Pin的unsafe方法，仍然可以得到mut Node，也可以移动Node实例，但这些unsafe的操作就需要程序员自己去承担风险。Pin相关方法中对此有很详细的说明。

Pin可以被看作一个限制指针（Box<T>或&mut T）的结构，在T: Unpin的情况下，Pin<Box<T>>和Box<T>是类似的，通过DerefMut就可以直接得到&mut T，在T没有实现Unpin的情况下，Pin<Box<T>>只能通过Deref得到&T，就是说T被pin住了。

Pin这种自废武功的方法怪怪的，为什么要有Pin？虽然Box、Rc、Arc等指针类型也可以让实例在heap中固定，但是这些指针的safe方法会暴露出&mut T，这就会导致T的实例被移动，比如通过std::mem::swap方法，也可以是Option::take方法，还可能是Vec::set_len、Vec::resize方法等，这些可都是safe等方法。这些方法的共同点都是需要&mut Self，所以说只要不暴露&mut Self，就可以达到pin的目标。

为什么需要pin？

事情的起因就是Async/.Await异步编程的需要。

看看如下异步编程的代码：

let fut_one = /* ... */;
let fut_two = /* ... */;
async move {
    ...
    fut_one.await;
    ...
    fut_two.await;
    ...
}

rustc在编译是会自动生成类似如下的代码，其中的AsyncFuture会是一个自引用结构：

// The `Future` type generated by our `async { ... }` block
struct AsyncFuture {
    ...
    fut_one: FutOne,
    fut_two: FutTwo,
    state: State,
}

// List of states our `async` block can be in
enum State {
    AwaitingFutOne,
    AwaitingFutTwo,
    Done,
}

impl Future for AsyncFuture {
    type Output = ();

    fn poll(mut self: Pin<&mut Self>, cx: &mut Context<'_>) -> Poll<()> {
        ...
    }
}

注意Future::poll方法的第一个参数是Pin<&mut Self>，如果在Future::poll方法中有类似std::mem::swap等方法调用，就有可能导致AsyncFuture被移动，那么AsyncFuture中的自引用field就会导致灾难。

可能你也注意到了，这里的Future::poll代码是自动生成的，可以不调用std::mem::swap等方法，就不会导致AsyncFuture被移动。的确是这样的，如果在这里将Future::poll的第一个参数改为Box<Self>或者&mut Self，大概率是没有问题的。很多executor的实现，都是要求Future是支持Unpin，因为在poll代码中的确有修改Self的需求，但不会产生错误，也是这个原因。

但是，对于程序员实现Future的情况，问题就来了。**如果poll的参数是&mut Self，那么程序员就可能使用safe代码（比如std::mem::swap）产生错误，这是与rust安全编码的理念相冲突的。**这就是Pin引入的根本原因！

其实，在future 0.1版本中，poll的这个参数就是&mut Self，如下：

pub trait Future {
    type Item;
    type Error;
    fn poll(&mut self) -> Poll<Self::Item, Self::Error>;
}

总结一下

• Pin实际是对P指针的限制，在T没有实现Unpin的情况下，避免P指针暴露&mut Self。
• Pin的引入是Async/.Await异步编程的需要，核心就是Future::poll方法参数的需要。
• 除了Future::poll方法之外，不建议使用Pin，也没有必要使用Pin.