CRust学习笔记：智能指针和内部可变性

本系列文章是Jon Gjengset发布的CRust of Rust系列视频的学习笔记，CRust of Rust是一系列持续更新的Rust中级教程。

我们将通过手动实现Cell，RefCell来学习智能指针及内部可变性。

新建一个项目：

cargo new --lib pointers

手动实现Cell 在src目录下新建一个cell.rs文件，然后在lib.rs中加入：

1modcell;

在cell.rs中写入如下代码：

 1usestd::UnsafeCell;
 2
 3pubstructCell{
 4value:UnsafeCell,
 5}
 6
 7implCell{
 8pubfnnew(value:T)->Self{
 9Cell{
10value:UnsafeCell::new(value),
11}
12}
13
14pubfnset(&self,value:T){
15unsafe{
16*self.value.get()=value
17};
18}
19
20pubfnget(&self)->TwhereT:Copy{
21unsafe{
22*self.value.get()
23}
24}
25}

实现内部可变性需要一个特殊的cell类型，叫作UnsafeCell，它是Rust的核心原语。顾名思义它是不安全的，它持有类型，通过它可以获得类型的原生独占指针。我们使用UnsafeCell类型可以通过共享引用转变成独占引用来改变数据。

在set和get方法中需要获取类型的原生的指针，因此需要使用unsafe块。由于UnsafeCell实现了!Sync trait，表示不能安全的跨线程共享引用。

测试代码如下：

 1#[cfg(test)]
 2modtest{
 3usesuper::Cell;
 4
 5#[test]
 6fncell_test(){
 7letmutx=Cell::new(42);
 8leti=x.get();
 9x.set(43);
10
11assert_eq!(i,42);
12}
13}

执行cargo test，测试通过。 手动实现RefCell

RefCell的文档描述是：可以改变内存位置，可以动态检查借用规则。也就是说可以在运行期检查借用规则。

在src目录下新建一个refcell.rs文件，然后在lib.rs中加入：

1modrefcell;

在refcell.rs中写入如下代码：

 1usestd::UnsafeCell;
 2usecrate::Cell;
 3
 4#[derive(Clone,Copy)]
 5enumRefState{
 6Unshared,
 7Shared(usize),
 8Exclusive,
 9}
10
11pubstructRefCell{
12value:UnsafeCell,
13state:Cell,
14}
15
16implRefCell{
17pubfnnew(value:T)->Self{
18Self{
19value:UnsafeCell::new(value),
20state:Cell::new(RefState::Unshared),
21}
22}
23
24pubfnborrow(&self)->Option<&T>{
25None
26}
27
28pubfnborrow_mut(&self)->Option<&mut T>{
29None
30}
31}

这是RefCell 最基本的API。borrow和borrow_mut方法的返回值使用Option，是因为如果通过borrow_mut获取可变引用，则通过borrow获取的共享引用返回None，反之亦然。

RecCell的引用状态有三种，分别是非共享状态(Unshared)、共享状态(Shared)、独占状态，使用enum来表示。其中共享状态包含了一个引用计数器，类型为usize。

引用状态我们使用了上面刚完成的Cell进行包装，是因为需要使用内部可变性来改变状态。

下面来完成borrow和borrow_mut方法：

 1pubfnborrow(&self)->Option<&T>{
 2matchself.state.get(){
 3//当前状态如果是非共享状态，则设置引用状态为共享状态
 4RefState::Unshared=>{
 5self.state.set(RefState::Shared(1));
 6Some(unsafe{&*self.value.get()})
 7},
 8//当前状态如果是共享状态，则引用计数加1
 9RefState::Shared(n)=>{
10self.state.set(RefState::Shared(n+1));
11Some(unsafe{&*self.value.get()})
12},
13//当前状态如果是独占状态，则返回None
14RefState::Exclusive=>None,
15}
16}
17
18pubfnborrow_mut(&self)->Option<&mut T>{
19//引用状态既不是共享状态，也不是独占状态，才能设置为独占状态。
20ifletRefState::Unshared=self.state.get(){
21self.state.set(RefState::Exclusive);
22Some(unsafe{&mut*self.value.get()})
23}else{
24None
25}
26}

现在有个问题，共享状态的引用计数只有增没有减，下面增加两个类型来完善RefCell：

 1/**
 2*包装RefCell的共享引用struct
 3*/
 4pubstructRef<'refcell, T>{
 5refcell:&'refcellRefCell,
 6}
 7
 8implDropforRef<'_, T>{
 9//超出作用域范围时，共享引用状态的变化
10fndrop(&mutself){
11matchself.refcell.state.get(){
12RefState::Unshared|RefState::Exclusive=>unreachable!(),
13RefState::Shared(1)=>{
14self.refcell.state.set(RefState::Unshared);
15},
16RefState::Shared(n)=>{
17self.refcell.state.set(RefState::Shared(n-1));
18}
19}
20}
21}
22
23implstd::DerefforRef<'_, T>{
24typeTarget=T;
25
26//解引用时直接返回T的引用
27fnderef(&self)->&Self::Target{
28unsafe{&*self.refcell.value.get()}
29}
30}

 1/**
 2*包装RefCell的可变引用struct
 3*/
 4pubstructRefMut<'refcell, T>{
 5refcell:&'refcellRefCell,
 6}
 7
 8implDropforRefMut<'_, T>{
 9//超出作用域范围时，独占引用状态的变化
10fndrop(&mutself){
11matchself.refcell.state.get(){
12RefState::Unshared|RefState::Shared(_)=>unreachable!(),
13RefState::Exclusive=>{
14self.refcell.state.set(RefState::Unshared);
15}
16}
17}
18}
19
20implstd::DerefforRefMut<'_, T>{
21typeTarget=T;
22
23//解引用时直接返回T的引用
24fnderef(&self)->&Self::Target{
25unsafe{&*self.refcell.value.get()}
26}
27}
28
29implstd::DerefMutforRefMut<'_, T>{
30//解引用时直接返回T的可变引用
31fnderef_mut(&mutself)->&mutSelf::Target{
32unsafe{&mut*self.refcell.value.get()}
33}
34}

RefCell的borrow和borrow_mut方法的返回值也需要做相应的修改：

 1pubfnborrow(&self)->Option>{
 2matchself.state.get(){
 3//当前状态如果是非共享状态，则设置引用状态为共享状态
 4RefState::Unshared=>{
 5self.state.set(RefState::Shared(1));
 6Some(Ref{refcell:self})
 7},
 8//当前状态如果是共享状态，则引用计数加1
 9RefState::Shared(n)=>{
10self.state.set(RefState::Shared(n+1));
11Some(Ref{refcell:self})
12},
13//当前状态如果是独占状态，则返回None
14RefState::Exclusive=>None,
15}
16}
17
18pubfnborrow_mut(&self)->Option>{
19//引用状态既不是共享状态，也不是独占状态，才能设置为独占状态。
20ifletRefState::Unshared=self.state.get(){
21self.state.set(RefState::Exclusive);
22Some(RefMut{refcell:self})
23}else{
24None
25}
26}

通过我们自己实现的Cell，RefCell的过程，我们了解了智能指针为什么需要实现Drop、Deref和DerefMut特征及内部可变性的原理。

审核编辑：汤梓红