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Rust语言从入门到精通系列 - RefCell特征
2023-04-03 4 分钟阅读 Rust 从入门到精通 RefCellRefCell 是 Rust 标准库提供的一种类型，它可以在运行时检查借用规则，使得我们可以在某些情况下绕过 Rust 的静态借用检查。RefCell 的主要作用是允许在不可变引用存在的情况下，获取可变引用。这样就可以在不破坏 Rust 的安全性和所有权规则的前提下，实现一些特殊的需求。 在 Rust 中，为了避免数据竞争，任何时候只能有一个可变引用或多个不可变引用。但是，在某些情况下，我们确实需要在不可变引用的情况下修改数据。这时候，就可以使用 RefCell。 基础用法 创建 RefCell首先，我们需要创建一个 RefCell 对象。可以使用 new() 方法来创建一个新的 RefCell，示例代码如下： 1 2 3 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42);这里，我们创建了一个名为 my_cell 的 RefCell，并将其初始化为整数 42。 获取 RefCell 中的值要访问 RefCell 中的值，我们需要使用 borrow() 方法。这个方法返回一个 Ref 对象，它像一个不可变引用一样使用，但是它可以访问 RefCell 中的值。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let my_ref = my_cell.borrow(); println!("The value in my_cell is: {}", *my_ref);这里，我们首先创建了一个 RefCell，然后使用 borrow() 方法获取了一个 Ref 对象。我们可以使用 * 运算符来访问 Ref 中的值。 修改 RefCell 中的值要修改 RefCell 中的值，我们需要使用 borrow_mut() 方法。这个方法返回一个 RefMut 对象，它像一个可变引用一样使用，但是它可以修改 RefCell 中的值。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let mut my_ref = my_cell.borrow_mut(); *my_ref = 100; println!("The new value in my_cell is: {}", *my_ref);这里，我们首先创建了一个 RefCell，然后使用 borrow_mut() 方法获取了一个 RefMut 对象。我们可以使用 * 运算符来修改 RefMut 中的值。 获取 RefCell 中的不可变引用如果我们在获取 RefCell 的可变引用之前，已经获取了一个不可变引用，那么 Rust 会在运行时检查，如果发现了错误，就会 panic。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let my_ref = my_cell.borrow(); let my_mut_ref = my_cell.borrow_mut(); // panic!这里，我们首先获取了一个不可变引用 my_ref，然后试图获取一个可变引用 my_mut_ref。由于我们已经有了一个不可变引用，所以 Rust 会在运行时检查，发现了错误，就会 panic。 获取 RefCell 中的可变引用如果我们在获取 RefCell 的可变引用之前，已经获取了一个可变引用，那么 Rust 会在编译时检查，如果发现了错误，就会报错。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let mut my_mut_ref = my_cell.borrow_mut(); let my_ref = my_cell.borrow(); // compile error!这里，我们首先获取了一个可变引用 my_mut_ref，然后试图获取一个不可变引用 my_ref。由于我们已经有了一个可变引用，所以 Rust 会在编译时检查，发现了错误，就会报错。 获取 RefCell 中的多个不可变引用如果我们在获取 RefCell 的多个不可变引用时，其中一个引用已经被转换为可变引用，那么 Rust 会在运行时检查，如果发现了错误，就会 panic。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let my_ref1 = my_cell.borrow(); let my_ref2 = my_cell.borrow(); let mut my_mut_ref = my_cell.borrow_mut(); // panic!这里，我们首先获取了两个不可变引用 my_ref1 和 my_ref2，然后试图获取一个可变引用 my_mut_ref。由于我们已经有了两个不可变引用，所以 Rust 会在运行时检查，发现了错误，就会 panic。 获取 RefCell 中的多个可变引用如果我们在获取 RefCell 的多个可变引用时，其中一个引用已经被转换为不可变引用，那么 Rust 会在编译时检查，如果发现了错误，就会报错。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(42); let mut my_mut_ref1 = my_cell.borrow_mut(); let my_mut_ref2 = my_cell.borrow_mut(); // compile error!这里，我们首先获取了一个可变引用 my_mut_ref1，然后试图获取另一个可变引用 my_mut_ref2。由于我们已经有了一个可变引用，所以 Rust 会在编译时检查，发现了错误，就会报错。 使用 RefCell 来实现引用计数RefCell 还可以用来实现引用计数。我们可以将 RefCell 包装在一个 Rc 中，这样就可以在多个地方共享 RefCell。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 use std::cell::RefCell; use std::rc::Rc; let my_cell = Rc::new(RefCell::new(42)); let my_ref1 = my_cell.borrow(); let my_ref2 = my_cell.borrow(); let mut my_mut_ref = my_cell.borrow_mut(); *my_mut_ref = 100; println!("The value in my_cell is: {}", *my_ref1); println!("The value in my_cell is: {}", *my_ref2);这里，我们首先创建了一个 Rc，然后分别获取了两个不可变引用 my_ref1 和 my_ref2，以及一个可变引用 my_mut_ref。我们可以使用 * 运算符来访问 Ref 和 RefMut 中的值。 进阶用法 使用 RefCell 来实现线程安全的可变变量在 Rust 中，如果我们需要在线程之间共享可变变量，通常会使用 Mutex 或 RwLock。但是，这些类型的性能可能不太好，因为它们需要在每个访问上进行加锁和解锁操作。如果我们只需要在单个线程中共享可变变量，那么可以使用 RefCell 来实现，这样可以避免加锁和解锁的开销。 示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 use std::cell::RefCell; let my_cell = RefCell::new(0); let mut my_mut_ref1 = my_cell.borrow_mut(); *my_mut_ref1 += 1; let mut my_mut_ref2 = my_cell.borrow_mut(); *my_mut_ref2 += 2; println!("The value in my_cell is: {}", *my_mut_ref1);这里，我们首先创建了一个 RefCell，然后获取了两个可变引用 my_mut_ref1 和 my_mut_ref2，并分别修改了它们。由于我们只在单个线程中使用 RefCell，所以不需要加锁和解锁。 使用 RefCell 来实现循环引用在 Rust 中，如果两个对象互相引用，那么它们之间就会形成一个循环引用。这时候，就可以使用 RefCell 来实现。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 use std::cell::RefCell; use std::rc::Rc; struct Node { value: i32, next: Option, } let node1 = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 1, next: None })); let node2 = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 2, next: None })); node1.borrow_mut().next = Some(node2.clone()); node2.borrow_mut().next = Some(node1.clone()); println!("The value of node1 is: {}", node1.borrow().value); println!("The value of node2 is: {}", node2.borrow().value);这里，我们创建了两个 Rc，然后将它们互相引用。由于我们使用了 RefCell，所以可以在创建时互相引用，而不需要先创建一个对象，然后再修改它们的引用。 使用 RefCell 来实现可变借用嵌套在 Rust 中，如果我们需要在一个可变引用中嵌套另一个可变引用，通常会出现编译时错误。但是，如果我们使用 RefCell，就可以实现可变借用嵌套。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 use std::cell::RefCell; struct Node { value: i32, next: Option, } let mut node1 = Box::new(RefCell::new(Node { value: 1, next: None })); let mut node2 = Box::new(RefCell::new(Node { value: 2, next: None })); node1.borrow_mut().next = Some(node2); node2.borrow_mut().next = Some(node1); println!("The value of node1 is: {}", node1.borrow().value); println!("The value of node2 is: {}", node2.borrow().value);这里，我们创建了两个 Box，然后将它们互相引用。由于我们使用了 RefCell，所以可以在可变引用中嵌套另一个可变引用。 使用 RefCell 来实现内部可变性在 Rust 中，如果我们需要在一个结构体中存储一个可变变量，通常会使用 mut 关键字来标记结构体字段。但是，如果我们使用 RefCell，就可以实现内部可变性。示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 use std::cell::RefCell; struct Person { name: String, age: RefCell, } let person = Person { name: "Alice".to_string(), age: RefCell::new(30) }; let mut my_age = person.age.borrow_mut(); *my_age += 1; println!("{} is now {} years old.", person.name, *person.age.borrow());这里，我们创建了一个 Person 结构体，其中包含一个 String 类型的 name 字段和一个 RefCell 类型的 age 字段。我们可以在不可变引用的情况下修改 age 字段中的值。 最佳实践 避免过多的可变引用虽然 RefCell 可以在不可变引用的情况下修改数据，但是过多的可变引用会导致代码难以维护。因此，应该尽量避免过多的可变引用。 使用 RefCell 来实现状态机RefCell 可以用于实现状态机。在状态机中，状态之间的转换通常需要修改状态机中的某些变量。由于状态机本身是不可变的，因此可以使用 RefCell 来存储状态机中的可变变量。 示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 use std::cell::RefCell; enum State { A, B, C, } struct StateMachine { state: RefCell, count: RefCell, } impl StateMachine { fn new() -> StateMachine { StateMachine { state: RefCell::new(State::A), count: RefCell::new(0) } } fn next(&self) { let mut state = self.state.borrow_mut(); let mut count = self.count.borrow_mut(); match *state { State::A => { *state = State::B; *count += 1; }, State::B => { *state = State::C; *count += 2; }, State::C => { *state = State::A; *count += 3; }, } } } let sm = StateMachine::new(); sm.next(); println!("State is {:?}, count is {}", *sm.state.borrow(), *sm.count.borrow()); sm.next(); println!("State is {:?}, count is {}", *sm.state.borrow(), *sm.count.borrow()); sm.next(); println!("State is {:?}, count is {}", *sm.state.borrow(), *sm.count.borrow());这里，我们创建了一个 StateMachine 结构体，其中包含一个 RefCell 类型的 state 字段和一个 RefCell 类型的 count 字段。我们可以在不可变引用的情况下修改 state 和 count 字段中的值。 使用 RefCell 来实现链表RefCell 可以用于实现链表。在链表中，每个节点通常包含一个指向下一个节点的指针。由于每个节点的指针是可变的，因此可以使用 RefCell 来存储节点中的指针。 示例代码如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 use std::cell::RefCell; use std::rc::Rc; struct Node { value: i32, next: Option, } fn main() { let node1 = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 1, next: None })); let node2 = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 2, next: None })); let node3 = Rc::new(RefCell::new(Node { value: 3, next: None })); node1.borrow_mut().next = Some(node2.clone()); node2.borrow_mut().next = Some(node3.clone()); let mut node = node1; while let Some(next) = node.borrow().next.clone() { println!("The value of node is: {}", node.borrow().value); node = next; } println!("The value of node is: {}", node.borrow().value); }这里，我们创建了三个 Rc，然后将它们连接成一个链表。我们可以使用 borrow() 方法来访问节点中的值，使用 borrow_mut() 方法来修改节点中的指针。 总结RefCell 是 Rust 标准库提供的一种类型，它可以在运行时检查借用规则，使得我们可以在某些情况下绕过 Rust 的静态借用检查。RefCell 的主要作用是允许在不可变引用存在的情况下，获取可变引用。这样就可以在不破坏 Rust 的安全性和所有权规则的前提下，实现一些特殊的需求。 在使用 RefCell 时，需要注意避免过多的可变引用，以及使用 RefCell 实现状态机和链表等数据结构。
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