В Rust "черновой тип" (англ. phantom type) — это тип-параметр, который не используется непосредственно в данных структуры, но играет роль в типовой системе. Он позволяет добавлять дополнительную типовую информацию, которую можно использовать для обеспечения безопасности, соблюдения инвариантов и компиляции правильного поведения без влияния на рантайм.

Rust реализует поддержку phantom-типов с помощью маркерной структуры PhantomData<T> из стандартной библиотеки.

Проблема, которую решают phantom-типы

Когда вы создаёте обобщённую структуру с типовым параметром T, но при этом не используете T в полях, компилятор считает, что T не играет роли, и может не учитывать его в проверках владения, drop-логике, вариации и других аспектах. Это может привести к небезопасному поведению или нежелательной оптимизации.

Чтобы подсказать компилятору, что тип T важен и участвует в логике, даже если физически не хранится в структуре, используют PhantomData<T>.

Пример: простая структура с phantom-типом

use std::marker::PhantomData;
struct MyWrapper<T> {
\_marker: PhantomData<T>,
}
fn main() {
let \_a: MyWrapper<u8> = MyWrapper { \_marker: PhantomData };
}

Здесь T никак не используется в данных, но структура MyWrapper<T> теперь считается зависящей от T. Это значит:

• тип MyWrapper<u8> будет отличаться от MyWrapper<u32>,

• компилятор может применять проверки владения и дроппинга в зависимости от T,

• можно использовать MyWrapper<T> для типобезопасных интерфейсов, даже если T — только абстракция.

Зачем нужен PhantomData?

Основные применения:

1. Управление временем жизни (lifetimes)

Вы можете использовать PhantomData<&'a T> в структуре, чтобы указать, что она логически ссылается на данные с временем жизни 'a, даже если фактической ссылки нет.

use std::marker::PhantomData;
struct MyRef<'a, T> {
\_marker: PhantomData<&'a T>,
}

Это полезно, например, для безопасного API, работающего с памятью через указатели (*const T, *mut T), но без явной ссылки.

2. Параметры drop-порядка

Если структура использует PhantomData<T>, и T реализует Drop, то Drop для T будет учитываться при уничтожении основного объекта. Без PhantomData компилятор может проигнорировать T и не гарантировать правильный порядок деструкции.

3. Zero-sized типы (ZST)

PhantomData<T> — тип нулевого размера, поэтому не увеличивает размер структуры, но при этом добавляет нужную типовую информацию в систему типов Rust.

Это позволяет эффективно использовать phantom-типы без накладных расходов.

4. Тайпстейты (typestate pattern)

Phantom-типы применяются в реализации типовых состояний, где поведение объекта зависит от его "состояния", закодированного как тип.

Пример: API для открытия/закрытия соединений.

struct Open;
struct Closed;
struct Connection<State> {
id: u32,
\_marker: PhantomData<State>,
}
impl Connection<Closed> {
fn open(self) -> Connection<Open> {
println!("Открываем соединение");
Connection {
id: self.id,
\_marker: PhantomData,
}
}
}
impl Connection<Open> {
fn send(&self, data: &\[u8\]) {
println!("Отправка данных: {:?}", data);
}
}

Этот подход позволяет компилятору на уровне типов запрещать недопустимые действия — например, попытку вызвать .send() на закрытом соединении.

5. FFI и raw pointer API

Phantom-типы активно применяются в low-level API, особенно там, где структура содержит указатели на данные, которые нельзя представить в виде &T.

struct RawPtr<'a, T> {
ptr: \*const T,
\_marker: PhantomData<&'a T>, // lifetime safety
}

Без PhantomData<&'a T> компилятор не сможет отследить связь между временем жизни ptr и 'a, и это может привести к ошибкам во владении или U.B.

Разновидности PhantomData

Вы можете использовать разные формы PhantomData для выражения зависимости:

• PhantomData<T> — означает владение или участие T в drop-порядке;

• PhantomData<&'a T> — означает наличие заимствования с временем жизни 'a;

• PhantomData<fn() -> T> — означает, что T используется как тип вывода, но не как значение;

• PhantomData<*const T> — не означает владения, но сигнализирует о типовой связи.