Rust中的Rc, Cell, RefCell

引用计数Rc

概述： Rc是Rust中用于实现引用计数的类型，它允许多个所有者共享同一个数据。

用法详解：

• 每当clone一个Rc时，引用计数增加，而每当一个Rc退出作用域时，引用计数减少。
• 当引用计数变为0时，Rc和它所包裹的数据都会被销毁。
• Rc的clone不会进行深拷贝，指创建另一个指向包裹值的指针，并增加引用计数

示例：

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let rc_examples = "Rc examples".to_string();
    {
        println!("rc_a is created");
        
        let rc_a: Rc<String> = Rc::new(rc_examples);
        println!("Reference Count of rc_a: {}", Rc::strong_count(&rc_a)); 

        {
            println!("rc_a is cloned to rc_b");

            let rc_b: Rc<String> = Rc::clone(&rc_a);
            println!("Reference Count of rc_b: {}", Rc::strong_count(&rc_b));
            println!("Reference Count of rc_a: {}", Rc::strong_count(&rc_a));

            println!("rc_a and rc_b are equal: {}", rc_a.eq(&rc_b));
            // 可以直接使用值的方法
            println!("Length of the value inside rc_a: {}", rc_a.len());
            // 直接使用值
            println!("Value of rc_b: {}", rc_b);

            println!("rc_b is dropped out of scope");
        }

        println!("Reference Count of rc_a: {}", Rc::strong_count(&rc_a));

        println!("rc_a is dropped out of scope");
    }
}

Cell和RefCell

概述： Rust编译器通过严格的借用规则（多个不可变引用或只有一个可变引用存在）确保程序安全性，但是会降低灵活性。因此提供了Cell和RefCell类型，允许在不可变引用的情况下修改数据。内部是通过unsafe代码实现的

Cell

概述： Cell和RefCell在功能上没有区别，区别在于Cell<T>适用于T实现Copy的情况

示例：

use std::cell::Cell;

fn main() {
    let c = Cell::new("asdf");
    let one = c.get();
    c.set("qwer");
    let two = c.get();
    println!("{}, {}", one, two);
}

asdf是&str类型，实现了Copy trait，取到值保存在one变量后，还能同时进行修改，这个违背了Rust的借用规则，但通过Cell就能做到这一点

let c = Cell::new(String::from("asdf"));

这段代码编译器会报错，因为String没有实现Copy trait

RefCell

Rust规则	智能指针带来的额外规则
一个数据只有一个所有者	Rc/Arc让一个数据可以拥有多个所有者
要么多个不可变借用，要么一个可变借用	RefCell实现编译器可变、不可变引用共存
违背规则导致编译错误	违背规则导致运行时panic

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let s = RefCell::new(String::from("hello, wolrd"));
    let s1 = s.borrow();
    let s2 = s.borrow_mut();
    
    println!("{},{}", s1, s2);
}

上面这段代码不会出现编译错误，但是运行时会panic

RefCell为何存在？

从上面看，通过RefCell并不能绕过rust的借用规则，那还有什么用？

对于大型的复杂程序，可以选择使用RefCell来让事情简化。在Rust编译器的ctxt结构体中有大量的RefCell类型的map字段，主要原因是这些map会被分散在各个地方的代码片段所广泛使用或修改，很容易就碰到编译器跑出来的各种错误，但是你不知道如何解决。这时候可以使用RefCell，在运行时发现这些错误，因为一旦有的代码使用不正确，就会panic，我们就知道哪里借用冲突了。

Cell or RefCell

主要区别：

• Cell只适用于实现了Copy trait类型，用于提供值，而RefCell用于提供引用
• Cell不会panic，而RefCell会在运行时panic

性能比较：

Cell没有额外的开销，下面两段代码的性能是一样的

// code 1
let x = Cell::new(1);
let y = &x;
let z = &x;
x.set(2);
y.set(3);
z.set(4);
println!("{}", x.get());

// code 2
let mut x = 2;
let y = &mut x;
let z = &mut x;
x = 2;
*y = 3;
*z = 4;
println!("{}", x);

但是代码2不能编译成功，因为只能存在一个可变引用

内部可变性

概述： 对一个不可变的值进行可变借用，就是内部可变性

无内部可变性：

fn main() {
    let x = 5;
    let y = &mut x;
}

尝试对一个不可变值进行可变借用，破坏了Rust的借用规则

RefCell应用场景：

// 定义在外部库的trait
pub trait Messnger {
    fn send(&self, msg: String);
}

// 我们自己写的代码
struct MsgQueue {
    msg_cache: Vec<String>,
}

impl Messnger for MsgQueue {
    fn send(&self, msg: String) {
        self.msg_cache.push(msg);
    }
}

上面代码会编译错误，因为需要修改self的msg_cache，但是外部库的self是不可变的self，这时候RefCell就派上用场了。

use std::cell::RefCell;

pub trait Messnger {
	fn send(&self, msg: String);
}

pub struct MsgQueue {
    msg_cache: RefCell<Vec<String>>>,
}

impl Messnger for MsgQueue {
    fn send(&self, msg: String) {
        self.msg_cache.borrow_mut().push(msg);
    }
}

fn main() {
    let mq = MsgQueue {
        msg_cache: RefCell::new(Vec::new());
    };
    mq.send("hello, world".to_string());
}

Rc+RefCell

概述： 这是一个很常见的组合，前者可以实现一个数据拥有多个所有者，后者可以实现数据的内部可变性

示例：

use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

fn main() {
    let s = Rc::new(RefCell::new("Hello, wolrd".to_string()));
    
    let s1 = s.clone();
    let s2 = s.clone();
    
    s2.borrow_mut().push_str(", on yeah!");
    
    println!("{:?}\n{:?}\n{:?}", s, s1, s2);
}

性能损耗：

非常高，大致相当于没有线程安全版本的C++ std::shared_ptr指针。C++这个指针的主要开销也在于原子性这个并发原语上，毕竟线程安全在哪个语言开销都不小

内存损耗：

二者结合的数据结构与下面类似：

struct Wrapper<T> {
    // Rc
    strong_count: usize,
    weak_count: usize,
    
    // RefCell
    borrow_count: isize,
    
    // 包裹的数据
    item: T,
}

仅仅多分配了三个usize/isize

CPU损耗：

从CPU来看， 损耗如下：

• 对Rc<T>解引用是免费的（编译期），但是*带来的间接取值并不免费
• clone Rc<T>需要将当前的引用计数跟0和usize::Max进行一次比较，然后将计数值加1
• drop Rc<T>需要将计数值减1，然后跟0进行一次比较
• 对RefCell进行不可变借用，需要将isize类型的借用计数加1，然后跟0进行比较
• 对RefCell的不可变借用进行释放，需要将isize减1
• 对RefCell的可变借用大致跟上面差不多，但需要先跟0比较，然后再减1
• 对RefCell的可变借用进行释放，需要将isize加1

解决借用冲突

两种方法：

• Cell::from_mut，将&mut T转换为Cell<T>
• Cell::as_slice_of_cells，将&Cell<T>转换为&[Cell<T>]

常见的借用冲突问题：

fn is_even(i: i32) -> bool {
    i % 2 == 0
}

fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
    let mut i = 0;
    for num in nums.iter().filter(|&num| is_even(num)) {
        nums[i] = *num;
        i += 1;
    }
    nums.truncate(i);
}

会编译错误，因为同时使用了可变借用和不可变借用

可以通过索引来解决这个问题：

fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
    let mut i = 0;
    for j in 0..nums.len() {
        if is_even(nums[j]) {
            nums[i] = nums[j];
            i += 1;
        }
    }
    nums.truncate(i);
}

但这样不够最佳实践，使用迭代器才是最佳实践

可以使用上面提到的两种方法：

use std::cell::Cell;

fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
    let slice: &[Cell<i32>] = Cell::from_mut(&mut nums[..]).as_slice_of_cells();
    
    let mut i = 0;
    for num in slice.iter().filter(|num| is_even(num.get())) {
        slice[i].set(num.get());
        i += 1;
    }
    
    nums.truncate(i);
}