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1.10. 引用及内部可变性(简单回顾):引用、内部可变性、`Cell`类型及相关操作

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这篇文章只对所有权进行简单回顾,想要看完整的所有权系统阐述见【Rust自学】专栏的第15章的文章。
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1.10.1. 引用

通过引用,Rust允许将值借用出去,但不放弃所有权。

引用就是带有附加合约的指针。Rust中一共有两种引用类型。

1. 共享的引用

共享的引用,又叫不可变的引用,Rust中写作&T,其中T指代类型。

它的特点在一可以同时(或者叫在同一作用域内)存在任意数量的引用指向同一个值。每个共享的引用都实现了Copy trait。

共享引用背后的值不可变。编译器允许假定共享引用指向的值,在该引用存货期间是不会改变的。

举个例子:一个共享引用的值在某函数内被多次读取,那编译器就有权让其只读取一次,然后重用读取的值。

2. 可变引用

与不可变引用相对的就是可变引用,在Rust中写作&mut T

可变引用是独占的,意味着在一个作用域内只能有一个可变引用,不能出现第二个可变引用或任意数量的共享引用。所以不可变引用没有实现Copy trait。

编译器会假定没有其它线程访问可变引用所指向的类型(无论是通过共享引用还是可变引用)。

1.10.2. 拥有值 vs. 拥有到值的可变引用

所有者需要对删除值(丢弃值)负责,除此之外两者的作用基本一样。

注意:如果你移动了可变引用背后的值,则必须在其位置上留下另一个值。如果不这样做,所有者会认为它需要将其删除(丢弃),但其实却没有值可以删除了,导致未定义行为编译错误

看个例子:

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    let r = &mut s;

    let t = *r;  // 试图移动 r 所指向的值
    println!("{}", r);  // r 变成了悬垂引用
}

输出:

error[E0507]: cannot move out of `*r` which is behind a mutable reference

我们来梳理一下过程:

  • rs的可变引用,而 *r的操作试图移动这个值(String类型没有实现Copy trait,意味着s会失去数据)
  • 由于s仍然存在,当s作用域结束时,Rust期望可以正常释放它的内存
  • s已经被移动走了,导致Rust不知道该如何正确释放它,从而引发编译错误

正确的做法:

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    let r = &mut s;

    let t = std::mem::replace(r, String::new()); // 用空字符串替换原值
    println!("{}", t);  // "Hello"
    println!("{}", s);  // ""
}

1.10.3. 内部可变性

一些类型提供了内部可变性,这些类型可以通过共享引用修改值

这些类型通常依赖于额外的机制(如原子CPU指令)或不变量来提供安全的可变形,而不依赖于独占引用的语义。

内部可变性分为两类:

  • 通过共享引用获得可变引用:MutexRefCell(这两者在【Rust自学】专栏的第15章的文章中都介绍过)
    这类类型提供了保障机制——如果对某个值提供了可变引用,那么同时(或者叫在同一作用域下)只会存在一个可变引用,并且没有共享引用。这种功能依赖于UnsafeCell类型,通过共享引用修改值的唯一正确方式。

  • 通过共享引用可以替换值:std::sync::atomicstd::cell::Cell
    这类类型没有提供可变引用到内部的值,但是提供了就地操作值的方法——比如说替换/读取一个值。例如:无法获得到usizei32的直接引用,但是可以读取和替换值。

1.10.4. Cell类型

Cell类型来自于标准库,它通过不变量实现内部可变性。

  • Cell类型无法跨线程共享,因为内部值不会被并发地修改,即使通过共享引用发生修改
  • 不会提供到Cell内部的值的引用(所以可以一直移动它)

Cell提供的方法:

  • 对值整体替换(也就是所谓的就地操作)
  • 返回值的副本(也就是读取)

1. set(value): 替换值

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let x = Cell::new(10);  // 创建一个 `Cell`,存储 10

    x.set(20);  // 替换内部值

    println!("Updated value: {}", x.get()); // 输出 20
}
  • set(value)新值替换Cell内部的值

2. get():返回值的副本

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let x = Cell::new(5);
    let y = x.get(); // 获取 `x` 内部的副本
    println!("Value: {}", y); // 输出 5
}
  • get()不会返回内部值的引用,而是返回值的副本(适用于实现Copy trait 的类型)。
  • 适用于i32bool实现Copy trait 的类型

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