为什么需要内部可变性

本文参考 rust book ch15 并添加了自己的理解，感兴趣的可以先看看官方文档

Rust 有两种方式做到可变性

  • 继承可变性：比如一个 struct 声明时指定 let mut, 那么后续可以修改这个结构体的任一字段
  • 内部可变性：使用 Cell RefCell 包装变量或字段，这样即使外部的变量是只读的，也可以修改

看似继承可变性就够了，那么为什么还需要所谓的 interior mutability 内部可变性呢?让我们分析两个例子：

 
 
 
    
  
  
  
  1. struct Cache { 
    2.   
  
  
  2.     x: i32, 
    3.   
  
  
  3.     y: i32, 
    4.   
  
  
  4.     sum: Option, 
    5.   
  
  
  5. } 
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7. impl Cache { 
    8.   
  
  
  8.     fn sum(&mut self) -> i32 { 
    9.   
  
  
  9.         match self.sum { 
    10.   
  
  
  10.             None => {self.sum=Some(self.x + self.y); self.sum.unwrap()}, 
    11.   
  
  
  11.             Some(sum) => sum, 
    12.   
  
  
  12.         } 
    13.   
  
  
  13.     } 
    14.   
  
  
  14. } 
    15.   
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  16. fn main() { 
    17.   
  
  
  17.     let i = Cache{x:10, y:11, sum: None}; 
    18.   
  
  
  18.     println!("sum is {}", i.sum()); 
    19.   
  
  
  19. } 
    20.

结构体 Cache 有三个字段，x, y, sum, 其中 sum 模拟 lazy init 懒加载的模式，上面代码是不能运行的，道理很简单，当 let 初始化变量 i 时，就是不可变的。

 
 
 
    
  
  
  
  1. 17 |     let i = Cache{x:10, y:11, sum: None}; 
    2.   
  
  
  2.    |         - help: consider changing this to be mutable: `mut i` 
    3.   
  
  
  3. 18 |     println!("sum is {}", i.sum()); 
    4.   
  
  
  4.    |                           ^ cannot borrow as mutable 
    5.

有两种方式修复这个问题，let 声明时指定 let mut i, 但具体大的项目时，外层的变量很可能是 immutable 不可变的。这时内部可变性就派上用场了。

修复

 
 
 
    
  
  
  
  1. use std::cell::Cell; 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. struct Cache { 
    4.   
  
  
  4.     x: i32, 
    5.   
  
  
  5.     y: i32, 
    6.   
  
  
  6.     sum: Cell>, 
    7.   
  
  
  7. } 
    8.   
  
  
  8.  
    9.   
  
  
  9. impl Cache { 
    10.   
  
  
  10.     fn sum(&self) -> i32 { 
    11.   
  
  
  11.         match self.sum.get() { 
    12.   
  
  
  12.             None => {self.sum.set(Some(self.x + self.y)); self.sum.get().unwrap()}, 
    13.   
  
  
  13.             Some(sum) => sum, 
    14.   
  
  
  14.         } 
    15.   
  
  
  15.     } 
    16.   
  
  
  16. } 
    17.   
  
  
  17.  
    18.   
  
  
  18. fn main() { 
    19.   
  
  
  19.     let i = Cache{x:10, y:11, sum: Cell::new(None)}; 
    20.   
  
  
  20.     println!("sum is {}", i.sum()); 
    21.   
  
  
  21. } 
    22.

这是修复之后的代码，sum 类型是 Cell。

其实每一个都是有意义的，比如 Rc 代表共享所有权，但是因为 Rc 里的 T 要求是只读的，不能修改，所以就要用 Cell 封一层，这样就共享所有权，但还是可变的，Option 就是常见的要么有值 Some(T) 要么空值 None, 还是很好理解的。

如果不是写 rust 代码，只想阅读源码了解流程，没必要深究这些 wrapper, 重点关注包裹的真实类型就可以。

官网举的例子是 Mock Objects, 代码比较长，但是原理一样。

 
 
 
    
  
  
  
  1. struct MockMessenger { 
    2.   
  
  
  2.       sent_messages: RefCell>, 
    3.   
  
  
  3.   } 
    4.

最后都是把结构体字段，使用 RefCell 包装一下。

Cell

 
 
 
    
  
  
  
  1. use std::cell::Cell; 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. fn main(){ 
    4.   
  
  
  4.     let a = Cell::new(1); 
    5.   
  
  
  5.     let b = &a; 
    6.   
  
  
  6.     a.set(1234); 
    7.   
  
  
  7.     println!("b is {}", b.get()); 
    8.   
  
  
  8. } 
    9.

这段代码非常有代表性，如果变量 a 没有用 Cell 包裹，那么在 b 只读借用存在的时间，是不允许修改 a 的，由 rust 编译器在 compile 编译期保证：给定一个对像，在作用域内(NLL)只允许存在 N 个不可变借用或者一个可变借用。

Cell 通过 get/set 来获取和修改值，这个函数要求 value 必须实现 Copy trait, 如果我们换成其它结构体，编译报错。

 
 
 
    
  
  
  
  1. error[E0599]: the method `get` exists for reference `&Cell`, but its trait bounds were not satisfied 
    2.   
  
  
  2.   --> src/main.rs:11:27 
    3.   
  
  
  3.    | 
    4.   
  
  
  4. 3  | struct Test { 
    5.   
  
  
  5.    | ----------- doesn't satisfy `Test: Copy` 
    6.   
  
  
  6. ... 
    7.   
  
  
  7. 11 |     println!("b is {}", b.get().a); 
    8.   
  
  
  8.    |                           ^^^ 
    9.   
  
  
  9.    | 
    10.   
  
  
  10.    = note: the following trait bounds were not satisfied: 
    11.   
  
  
  11.            `Test: Copy` 
    12.

从上面可以看到 struct Test 默认没有实现 Copy, 所以不允许使用 get. 那有没有办法获取底层 struct 呢?可以使用 get_mut 返回底层数据的引用，但这就要求整个变量是 let mut 的，所以与使用 Cell 的初衷不符，所以针对 Move 语义的场景，rust 提供了 RefCell。

RefCell

与 Cell 不一样，我们使用 RefCell 一般通过 borrow 获取不可变借用，或是 borrow_mut 获取底层数据的可变借用。

 
 
 
    
  
  
  
  1. use std::cell::{RefCell}; 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. fn main() { 
    4.   
  
  
  4.     let cell = RefCell::new(1); 
    5.   
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  6.     let mut cell_ref_1 = cell.borrow_mut(); // Mutably borrow the underlying data 
    7.   
  
  
  7.     *cell_ref_1 += 1; 
    8.   
  
  
  8.     println!("RefCell value: {:?}", cell_ref_1); 
    9.   
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  10.     let mut cell_ref_2 = cell.borrow_mut(); // Mutably borrow the data again (cell_ref_1 is still in scope though...) 
    11.   
  
  
  11.     *cell_ref_2 += 1; 
    12.   
  
  
  12.     println!("RefCell value: {:?}", cell_ref_2); 
    13.   
  
  
  13. } 
    14.

代码来自 badboi.dev, 编译成功，但是运行失败。

 
 
 
    
  
  
  
  1. # cargo build 
    2.   
  
  
  2.     Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.03s 
    3.   
  
  
  3. # 
    4.   
  
  
  4. # cargo run 
    5.   
  
  
  5.     Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.03s 
    6.   
  
  
  6.      Running `target/debug/hello_cargo` 
    7.   
  
  
  7. RefCell value: 2 
    8.   
  
  
  8. thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/main.rs:10:31 
    9.   
  
  
  9. note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace 
    10.

cell_ref_1 调用 borrow_mut 获取可变借用，还处于作用域时，cell_ref_2 也想获取可变借用，此时运行时检查报错，直接 panic。

也就是说 RefCell 将借用 borrow rule 由编译期 compile 移到了 runtime 运行时, 有一定的运行时开销。

 
 
 
    
  
  
  
  1. #[derive(Debug)] 
    2.   
  
  
  2. enum List { 
    3.   
  
  
  3.     Cons(Rc>, Rc), 
    4.   
  
  
  4.     Nil, 
    5.   
  
  
  5. } 
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7. use crate::List::{Cons, Nil}; 
    8.   
  
  
  8. use std::cell::RefCell; 
    9.   
  
  
  9. use std::rc::Rc; 
    10.   
  
  
  10.  
    11.   
  
  
  11. fn main() { 
    12.   
  
  
  12.     let value = Rc::new(RefCell::new(5)); 
    13.   
  
  
  13.  
    14.   
  
  
  14.     let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil))); 
    15.   
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  16.     let b = Cons(Rc::new(RefCell::new(3)), Rc::clone(&a)); 
    17.   
  
  
  17.     let c = Cons(Rc::new(RefCell::new(4)), Rc::clone(&a)); 
    18.   
  
  
  18.  
    19.   
  
  
  19.     *value.borrow_mut() += 10; 
    20.   
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  21.     println!("a after = {:?}", a); 
    22.   
  
  
  22.     println!("b after = {:?}", b); 
    23.   
  
  
  23.     println!("c after = {:?}", c); 
    24.   
  
  
  24. } 
    25.

这是官方例子，通过 Rc, RefCell 结合使用，做到共享所有权，同时又能修改 List 节点值。

小结 

内部可变性提供了极大的灵活性，但是考滤到运行时开销，还是不能滥用，性能问题不大，重点是缺失了编译期的静态检查，会掩盖很多错误。

当前名称：为什么需要内部可变性
本文来源：http://www.mswzjz.cn/qtweb/news9/376359.html

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