Rust语言从入门到精通系列 - 不可变引用智能指针RefCell特征
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 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
7
8
9
10
use std::cell::RefCell;
fn main() {
let my_cell = RefCell::new(42);
let my_ref = my_cell.borrow();
println!("The value in my_cell is: {}", *my_ref);
}
// 输出结果
// The value in my_cell is: 42
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
8
9
10
11
use std::cell::RefCell;
fn main() {
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);
}
// 输出结果
// The new value in my_cell is: 100
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
7
8
9
10
use std::cell::RefCell;
fn main() {
let my_cell = RefCell::new(42);
let my_ref = my_cell.borrow();
let my_mut_ref = my_cell.borrow_mut(); // panic!
}
// 输出结果
// thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/main.rs:17:26
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
7
8
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!
// 输出结果
// thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/main.rs:17:22
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
8
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!
// thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/main.rs:18:30
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
14
15
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;
fn main() {
let my_cell = Rc::new(RefCell::new(42));
let my_ref1 = my_cell.borrow().clone();
let my_ref2 = my_cell.borrow().clone();
{
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<RefCell<i32>>，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<i32>，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
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;
struct Node {
value: i32,
next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}
fn main() {
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);
}
// 输出结果
// The value of node1 is: 1
// The value of node2 is: 2
这里，我们创建了两个 Rc<RefCell<Node>>，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
16
17
18
19
use std::cell::RefCell;
struct Node {
value: i32,
next: Option<Box<RefCell<Node>>>,
}
fn main() {
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<RefCell<Node>>，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
14
15
16
17
use std::cell::RefCell;
struct Person {
name: String,
age: RefCell<i32>,
}
fn main() {
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());
}
// 输出结果
// Alice is now 31 years old.
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<i32> 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
48
49
50
51
52
53
54
55
use std::cell::RefCell;
#[derive(Debug)]
enum State {
A,
B,
C,
}
#[derive(Debug)]
struct StateMachine {
state: RefCell<State>,
count: RefCell<i32>,
}
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;
},
}
}
}
fn main() {
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());
}
// 输出结果
// State is B, count is 1
// State is C, count is 3
// State is A, count is 6
这里，我们创建了一个 StateMachine 结构体，其中包含一个 RefCell<State> 类型的 state 字段和一个 RefCell<i32> 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<Rc<RefCell<Node>>>,
}
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: {}", next.borrow().value);
node = next;
}
println!("The value of node is: {}", node.borrow().value);
}
这里，我们创建了三个 Rc<RefCell<Node>>，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。
本作品采用 知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议 进行许可。欢迎转载、使用、重新发布，但务必保留文章署名 TinyZ Zzh （包含链接： https://tinyzzh.github.io ），不得用于商业目的，基于本文修改后的作品务必以相同的许可发布。 如有任何疑问，请 与我联系 (tinyzzh815@gmail.com) 。
评论