Rust：通过几个例子学习 Cell 和 RefCell
简介
在 Rust 编程语言中，Cell 和 RefCell 是两个非常重要的工具。尽管它们的名字听起来像是简单的包装器，但它们实际上解决了一些复杂的现实问题。本文将深入探讨 Cell 和 RefCell，并通过具体的实例说明它们在 Rust 编程中的重要性。
Cell 和 RefCell
首先，Cell 和 RefCell 并不是指针类型，它们是围绕其他类型的包装器，提供了一种在不可变引用下修改数据的方法。
Cell 和 RefCell 的核心在于它们是对不安全类型 UnsafeCell 的安全抽象。UnsafeCell 是一个特殊的类型，编译器知道如何特殊处理通过它的访问。然而，UnsafeCell 本身并不安全。因此，Cell 和 RefCell 提供了对 UnsafeCell 的安全封装，使我们可以在保证安全的前提下使用它的功能。
- 什么是安全？ 在 Rust 中，安全是指避免内存安全问题，例如数据竞争、空指针解引用、悬空指针等。Rust 的所有权和借用检查机制在编译时确保代码安全。然而，某些情况下，我们需要在不可变引用下修改数据，这就需要 Cell 或 RefCell 的帮助。
Cell 的使用场景
Cell 要求被包装的类型必须实现 Copy trait。这意味着 Cell 可以自由地复制和修改值而无需考虑析构。Cell 的使用相对简单，因为它不需要复杂的操作。
一个典型的使用 Cell 的场景是存储简单的数值类型。例如，我们可以使用 Cell 来存储一个计数器：
1use std::cell::Cell;
2
3struct Counter {
4 value: Cell<i32>,
5}
6
7impl Counter {
8 fn new() -> Counter {
9 Counter { value: Cell::new(0) }
10 }
11
12 fn increment(&self) {
13 let current = self.value.get();
14 self.value.set(current + 1);
15 }
16
17 fn get(&self) -> i32 {
18 self.value.get()
19 }
20}
21
22fn main() {
23 let counter = Counter::new();
24 counter.increment();
25 println!("Counter: {}", counter.get());
26}
在这个例子中，Counter 使用 Cell 来存储一个可在不可变引用下修改的计数器。
为什么需要在不可变引用下修改计数器？
在 Rust 中，一个变量可以有多个不可变引用（&T）或一个可变引用（&mut T），但不能同时存在。因此，如果计数器需要在多个地方共享，并且每个地方都可能会修改计数器的值，直接使用可变引用（&mut）是不行的。这时，Cell 或 RefCell 就派上用场了。
由于 Cell 需要实现 Copy trait，因此它有局限性，比如不能在 Cell 中存储 String 或 Vec。
RefCell 的使用场景
RefCell 更加灵活，它允许你存储几乎任何类型，包括上面提到的实现 Copy trait 的类型，但需要在运行时进行动态借用检查。Rust 的借用规则要求我们在共享和可变之间做出选择，而 RefCell 在运行时通过跟踪借用的次数和方式来强制执行这一点。如果检测到借用规则被违反，它会触发 panic。
RefCell 的一个典型使用场景是实现缓存或记忆化（memoization）。假设我们有一个函数，它的计算结果需要缓存以提高性能：
1use std::cell::RefCell;
2use std::collections::HashMap;
3
4struct Memoizer {
5 cache: RefCell<HashMap<i32, i32>>,
6}
7
8impl Memoizer {
9 fn new() -> Memoizer {
10 Memoizer {
11 cache: RefCell::new(HashMap::new()),
12 }
13 }
14
15 fn compute(&self, arg: i32) -> i32 {
16 if let Some(&result) = self.cache.borrow().get(&arg) {
17 return result;
18 }
19
20 // 假设这是一个昂贵的计算
21 let result = arg * arg;
22 self.cache.borrow_mut().insert(arg, result);
23 result
24 }
25}
26
27fn main() {
28 let memoizer = Memoizer::new();
29 println!("Result: {}", memoizer.compute(10));
30 println!("Result: {}", memoizer.compute(10)); // 这次将从缓存中获取结果
31}
在这个例子中，Memoizer 使用 RefCell 来存储一个可变的 HashMap，即使 Memoizer 本身是不可变的。这使得我们可以在不暴露内部实现细节的情况下实现缓存。对于使用者而言，Memoizer 看起来是一个不可变的缓存引用，但实际上其内部利用可变性来工作，从而简化了使用者的操作。
另一个例子：线程本地存储
thread_local! 宏用于定义线程本地存储（TLS），即每个线程都有自己独立的变量副本。对于每个线程来说，这些变量是独立的，互不干扰。以下是一个示例：
1use std::cell::Cell;
2
3thread_local! {
4 static THREAD_LOCAL_DATA: Cell<u32> = Cell::new(0);
5}
6
7fn main() {
8 THREAD_LOCAL_DATA.with(|data| {
9 data.set(42);
10 println!("Thread local data: {}", data.get());
11 });
12}
如果不使用 Cell，我们将无法在不可变引用的上下文中修改 u32 的值。因为 thread_local! 宏提供的访问方法（如 with）只允许通过不可变引用访问线程本地变量。