rust学习Cell、RefCell、OnceCell

背景

Rust 内存安全基于以下规则：给定一个对象 T，它只能具有以下之一：

• 对对象有多个不可变引用 (&T)（也称为别名 aliasing）
• 对对象有一个可变引用 (&mut T)（也称为可变性 mutability）

这是由 Rust 编译器强制执行的。然而，在某些情况下，该规则不够灵活（this rule is not flexible）。有时需要对一个对象有多个引用并对其进行修改（it is required to have multiple references to an object and yet mutate it）。

可共享的可变容器的存在是为了以受控的方式允许可变性（permit mutability in a controlled manner），即使存在别名（in the presence of aliasing）也是如此。 Cell、RefCell 和 OnceCell 允许以单线程方式执行此操作，它们不实现 Sync。（如果需要在多个线程之间进行别名和突变 do aliasing and mutation among multiple threads，Mutex、RwLock、OnceLock 或原子类型是执行此操作的正确数据结构）。

介绍

Cell、RefCell 和 OnceCell 类型的值可以通过共享引用（即公共 &T 类型）进行mutate，而大多数 Rust 类型只能通过唯一 (&mut T) 引用（unique reference）进行mutate。
这些cell类型提供了“内部可变性，interior mutability”（通过 &T 可变），与表现出“继承可变性”（仅通过 &mut T 可变）的典型 Rust 类型形成鲜明对比。

Cell类型分为三种类型：Cell、RefCell 和 OnceCell。每个都提供了一种不同的方式来提供安全的内部可变性（providing safe interior mutability）。

Cell

Cell 通过将值移入和移出cell来实现内部可变性（interior mutability）。也就是说，永远无法获得内部值的 &mut T，并且如果不将其替换为其他值，则无法直接获得该值本身。
这两条规则都确保永远不会有多个引用指向内部值。
该类型提供了以下方法：

• 对于实现 Copy 的类型， get 方法通过复制当前内部值来检索它
• 对于实现 Default 的类型， take 方法用 Default::default() 替换当前内部值并返回替换的值

所有的类型拥有：

• replace：替换当前内部值并返回替换后的值
• into_inner：此方法消耗 Cell 并返回内部值
• set：此方法替换内部值，删除替换的值

Cell 通常用于更简单的类型，其中复制或移动值不太占用资源（例如数字），并且在可能的情况下通常应优先于其他cell类型。对于较大的no-copy类型，RefCell 提供了一些优势。

RefCell

RefCell 使用 Rust 的生命周期来实现“动态借用 dynamic borrowing”，这是一个可以声明对内部值的临时、独占、可变访问的过程（claim temporary, exclusive, mutable access）。 RefCell 的借用是在运行时跟踪的，这与 Rust 的引用类型（native reference）不同，后者在编译时完全静态跟踪。

对 RefCell 内部值的不可变引用 (&T) 可以通过 Borrow 获得，可变借用（mutable borrow） (&mut T)可以通过 Borrow_mut 获得。
当这些函数被调用时，它们首先验证 Rust 的借用规则是否得到满足：允许任意数量的不可变借用或允许单个可变借用，但决不能两者兼而有之。如果尝试借用违反这些规则，线程将出现panic。

RefCell 对应的 Sync 版本是 RwLock。

OnceCell

OnceCell 有点像 Cell 和 RefCell 的混合体（somewhat of a hybrid of Cell and RefCell），适用于通常只需要设置一次的值。这意味着无需移动或复制内部值（与 Cell 不同），也无需运行时检查（与 RefCell 不同）即可获取引用 &T。
但是，它的值一旦设置就无法更新，除非有对 OnceCell 的可变引用。
OnceCell提供了以下方法：

• get：获取内部值的引用
• set：如果未设置则设置内部值（返回Result）
• get_or_init：返回内部值，如果需要则初始化它
• get_mut：提供对内部值的可变引用，仅当有对单元格本身的可变引用时才可用
  OnceCell 对应的Sync版本是 OnceLock

何时选择 interior mutability

更常见的继承可变性（必须具有唯一的访问权限才能改变值 have unique access to mutate a value）是关键语言元素之一，它使 Rust 能够对指针别名进行强有力的推理reason strongly about pointer aliasing，静态地防止崩溃错误。

因此，继承的可变性是首选，而内部可变性是最后的手段（inherited mutability is preferred, and interior mutability is something of a last resort）。

由于cell类型能够在不允许突变的情况下发生突变（Since cell types enable mutation where it would otherwise be disallowed though），因此有时内部可变性可能是合适的（there are occasions when interior mutability might be appropriate），甚至必须使用，

例如

• 在不可变事物的“内部”引入可变性 Introducing mutability ‘inside’ of something immutable
• 逻辑上不可变方法的实现细节 Implementation details of logically-immutable methods
• 改变Clone的实现 Mutating implementations of Clone

在不可变事物的“内部”引入可变性

许多共享智能指针类型（包括 Rc 和 Arc）提供了可以在多方之间（multiple parties）克隆和共享的容器。由于所包含的值可能是多重别名（multiply-aliased），因此只能使用 & 借用它们，而不能使用 &mut。如果没有cell，就根本不可能改变这些智能指针内部的数据。
将 RefCell 放入共享指针类型中以重新引入可变性（ reintroduce mutability）是很常见的

use std::cell::{
   RefCell, RefMut};
use std::collections::HashMap;
use std::rc::Rc;

fn main()