Rust能力养成系列之（42）：内存管理：引用计数智能指针（下） 火星小海马

前言

接着上篇的内容，我们继续

 

Rc

有所忘怀的读者，可以翻出上一篇再看一下。上篇提及要修改一种结构。这里有一种做法：那就是可以把Rc利用downgrade方法降级到Weak类型，后者也可以通过upgrade方法升级到前者类型。downgrade的方法总是有效的。但当在Weak上调用upgrade时，实际值可能已经被删除，在这种情况下，将得到一个None。

这时在上篇末尾的代码中添加一个弱指针

// rc_weak.rs

use std::rc::Rc; 
use std::rc::Weak; 

#[derive(Debug)] 
struct LinkedList { 
    head: Option>> 
} 

#[derive(Debug)] 
struct LinkedListNode { 
    next: Option>>, 
    prev: Option>>, 
    data: T 
} 

impl LinkedList { 
    fn new() -> Self { 
        LinkedList { head: None } 
    } 

    fn append(&mut self, data: T) -> Self { 
        let new_node = Rc::new(LinkedListNode { 
            data: data, 
            next: self.head.clone(), 
            prev: None 
        }); 

        match self.head.clone() { 
            Some(node) => { 
                node.prev = Some(Rc::downgrade(&new_node)); 
            }, 
            None => { 
            } 
        } 

        LinkedList { 
            head: Some(new_node) 
        } 
    } 
} 

fn main() { 
    let list_of_nums = LinkedList::new().append(1).append(2).append(3); 
    println!("nums: {:?}", list_of_nums); 
}

append方法增加了一些内容;现在，在返回新创建的head之前，我们需要更新当前head的前一个节点。看起来不错了，但还不够。编译器认为这是无效操作。

当然，可以让append接收一个对self的可变引用，但这意味着只有当所有节点的绑定都可变时，才能向列表追加，从而迫使整个结构成为可变的。而此处真正想要的是一种方法，使整个结构的一小部分是可变的，幸运的是，可以一个名为RefCell的方法。

于是改善步骤如下：

1.载入RefCell

use std::cell::RefCell; 

2 将RefCell中封装LinkedListNode

 #[derive(Debug)] 
        struct LinkedListNode { 
            next: Option>>, 
            prev: RefCell>>>, 
            data: T 
        }

3 利用改变append方法来创建一个新的RefCell，并通过RefCell可变借来更新之前的引用:

fn append(&mut self, data: T) -> Self { 
        let new_node = Rc::new(LinkedListNode { 
            data: data, 
            next: self.head.Clone(), 
            prev: RefCell::new(None) 
        }); 

        match self.head.Clone() { 
            Some(node) => { 
                let mut prev = node.prev.borrow_mut(); 
                *prev = Some(Rc::downgrade(&new_node)); 
            }, 
            None => { 
            } 
        } 

        LinkedList { 
            head: Some(new_node) 
        } 
    } 
} 

当使用RefCell borrows（借用）时，最好仔细考虑一下我们是否在以一种安全的方式在进行使用，因为在这方面的错误可能会导致运行时崩溃。然而，在这个实现中，很容易看到我们只有一个borrow，关闭块会立即进行丢弃行为。

此时代码可以编译通过。

 

内部可变性(Interior mutability)

如前所述，Rust通过在任何给定作用域只允许一个可变引用，用来保护开发者在编译时免受指针混叠问题（pointer aliasing problem ）的困扰。然而，在某些情况下，会表现得过于严格，使得明知是安全的代码，由于严格的借用检查，不能通过编译器。对于这些情况，一种解决方案是将借用检查从编译时转移到运行时，这是通过内部可变性实现的。那么在讨论允许内部可变性的类型之前，我们需要理解内部可变性（interior mutability）和继承的可变性 （ inherited mutability）的概念:

• 继承的可变性 （ inherited mutability），当使用&mut引用某个结构体时，体现为默认的可变性，这也意味着可以修改该结构的任何字段。
• 内部可变性（interior mutability），在这种可变性中，即使有一个&SomeStruct引用到某种类型，如果字段的类型为Cell或RefCell，开发者也可以修改其字段。

 

内部的可变性允许稍微变通一下借用规则，但这也给开发者带来了负担，因为要确保在运行时不存在两个可变借用。当这些类型将对多个可变引用的检测从编译转移到运行时，如果存在对某个值的两个可变引用，就会出现panic报错。当向用户公开不可变API时，通常使用内部可变性，尽管API内部有可变部分。标准库有两种提供共享可变性的通用智能指针类型:Cell和RefCell。

 

Cell

考虑一下这个代码，要求用两个对bag的可变引用来改变bag:

// without_cell.rs
 
use std::cell::Cell; 

#[derive(Debug)]
struct Bag { 
    item: Box
} 

fn main() { 
    let mut bag = Cell::new(Bag { item: Box::new(1) }); 
    let hand1 = &mut bag;
    let hand2 = &mut bag;
    *hand1 = Cell::new(Bag {item: Box::new(2)});
    *hand2 = Cell::new(Bag {item: Box::new(2)});
}

当然，这是通不过去的

我们可以通过将bag值封装在一个Cell中来实现这一点，代码更新如下:

// cell.rs
 
use std::cell::Cell; 

#[derive(Debug)]
struct Bag { 
    item: Box
} 

fn main() { 
    let bag = Cell::new(Bag { item: Box::new(1) }); 
    let hand1 = &bag;
    let hand2 = &bag;
    hand1.set(Bag { item: Box::new(2)}); 
    hand2.set(Bag { item: Box::new(3)});
}

正如所期望的那样，这个代码可以通过，唯一增加的成本是必须多写一点。但是，额外的运行时成本为零，而且对可变对象的引用仍然是不可变的，还不错吧。

Cell类型是一种智能指针类型，为变量值提供可变性，即使是在不可变引用之后，就效能而言，其最小的开销和最简易的API实现了这个功能：

• Cell::new：该方法用于通过传递任意类型T来创建Cell类型的新实例
• get：用该方法可以复制单元格中的值，但仅在被封装的类型T为复制类型时可用
• set：修改内部值，即使是在不可变引用后面

 

RefCell

如果需要为非复制类型提供类似单元格的特征（Cell-like features），那么可以使用RefCell类型。它使用了类似于借用的读/写模式，但将检查移动到运行时，这很方便，但不是零成本。RefCell分发对值的引用，而不是像Cell类型那样按值返回。看下如下代码：

// refcell_basics.rs
 
use std::cell::RefCell; 

#[derive(Debug)]
struct Bag { 
    item: Box
} 

fn main() { 
    let bag = RefCell::new(Bag { item: Box::new(1) }); 
    let hand1 = &bag;
    let hand2 = &bag;
    *hand1.borrow_mut() = Bag { item: Box::new(2)}; 
    *hand2.borrow_mut() = Bag { item: Box::new(3)};
    let borrowed = hand1.borrow();
    println!("{:?}", borrowed);
}

如上所见，可以从hand1和hand2中可变借用bag，尽管它们被声明为不可变变量。要修改bag中的项，我们在hand1和hand2上调用borrow_mut。之后，进行不可改变借用并打印内容。可以通过。

RefCell类型提供了以下两种借用方法:

• borrow方法接收一个新的不可变引用
• borrow_mut方法接收一个新的可变引用

 

现在，如果我们尝试在同一个作用域中调用这两个方法，将前面代码的最后一行更改为，结果如下，得到一个运行时的panic。

println!("{:?} {:?}", hand1.borrow(), hand1.borrow_mut());

这是因为具备排他性可变访问的所有权规则相同。但是，对于RefCell，这是在运行时检查的。对于这种情况，必须显式使用bare block来分隔借用，或者使用drop方法来删除引用。

 

内部可变性的用法

在前一节中，我们简化了使用Cell和RefCell的用法，开发者很可能不需要在实际代码中以这种形式进行应用。这里看看这些类型给带来的一些实际益处。

正如我们前面提到的，绑定的可变性不是细粒度的;一个值要么是不可变的，要么是可变的，如果它是一个结构体或枚举，那么包括所有字段。Cell和RefCell可以把一个不可变的东西变成可变的东西，也允许将一个不可变的结构的部分定义为可变的。

下面的代码用两个整数和一个sum方法扩展了一个结构体，以缓存sum的答案，并返回缓存的值(如果存在的话):

// cell_cache.rs
 
use std::cell::Cell; 

struct Point { 
    x: u8, 
    y: u8, 
    cached_sum: Cell> 
} 

impl Point { 
    fn sum(&self) -> u8 { 
        match self.cached_sum.get() { 
            Some(sum) => { 
                println!("Got from cache: {}", sum); 
                sum 
            }, 
            None => { 
                let new_sum = self.x + self.y; 
                self.cached_sum.set(Some(new_sum)); 
                println!("Set cache: {}", new_sum); 
                new_sum 
            } 
        } 
    } 
} 

fn main() { 
    let p = Point { x: 8, y: 9, cached_sum: Cell::new(None) }; 
    println!("Summed result: {}", p.sum()); 
    println!("Summed result: {}", p.sum()); 
}

编译通过，结果如下，请读者对照结果再自习研读一下代码

 

结语

Rust采用低级系统编程（low-level systems programming）方法来进行内存管理，承诺可以达到类似C语言的性能，有时甚至更好。通过使用所有权、生存期和借用语义，它不需要垃圾收集器就能做到这一点，想来还是挺赞的。至此，已经讲了很多内容，在编程学习中，都是相对较难的内容。凡是熟悉Rust的人喜欢称自己为Rustacean，期待大家能成为资深的Rustacean。有关在运行时所有权管理的内容，真的需要花一些时间，来好好思考一下，这意味着可以开发性价比很高的程序，自然这是很值得的

 

主要参考和建议读者进一步阅读的文献

https://doc.rust-lang.org/book

深入浅出 Rust，2018，范长春

Rust编程之道，2019， 张汉东

The Complete Rust Programming Reference Guide，2019， Rahul Sharma,Vesa Kaihlavirta,Claus Matzinger

Hands-On Data Structures and Algorithms with Rust，2018，Claus Matzinger

Beginning Rust ，2018，Carlo Milanesi

Rust Cookbook，2017，Vigneshwer Dhinakaran