Cell, RefCell

前面我们提到，Rust 通过其所有权机制，严格控制拥有和借用关系，来保证程序的安全，并且这种安全是在编译期可计算、可预测的。但是这种严格的控制，有时也会带来灵活性的丧失，有的场景下甚至还满足不了需求。

因此，Rust 标准库中，设计了这样一个系统的组件：Cell, RefCell，它们弥补了 Rust 所有权机制在灵活性上和某些场景下的不足。同时，又没有打破 Rust 的核心设计。它们的出现，使得 Rust 革命性的语言理论设计更加完整，更加实用。

具体是因为，它们提供了 内部可变性（相对于标准的 继承可变性 来讲的）。

通常，我们要修改一个对象，必须

1. 成为它的拥有者，并且声明 mut；
2. 或 以 &mut 的形式，借用；

而通过 Cell, RefCell，我们可以在需要的时候，就可以修改里面的对象。而不受编译期静态借用规则束缚。

Cell

Cell 有如下特点：

1. Cell<T> 只能用于 T 实现了 Copy 的情况；

.get()

.get() 方法，返回内部值的一个拷贝。比如：

use std::cell::Cell;

let c = Cell::new(5);

let five = c.get();

.set()

.set() 方法，更新值。

use std::cell::Cell;

let c = Cell::new(5);

c.set(10);

RefCell

相对于 Cell 只能包裹实现了 Copy 的类型，RefCell 用于更普遍的情况（其它情况都用 RefCell）。

相对于标准情况的 静态借用，RefCell 实现了 运行时借用，这个借用是临时的。这意味着，编译器对 RefCell 中的内容，不会做静态借用检查，也意味着，出了什么问题，用户自己负责。

RefCell 的特点：

1. 在不确定一个对象是否实现了 Copy 时，直接选 RefCell；
2. 如果被包裹对象，同时被可变借用了两次，则会导致线程崩溃。所以需要用户自行判断；
3. RefCell 只能用于线程内部，不能跨线程；
4. RefCell 常常与 Rc 配合使用（都是单线程内部使用）；

我们来看实例：

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

fn main() {
    let shared_map: Rc<RefCell<_>> = Rc::new(RefCell::new(HashMap::new()));
    shared_map.borrow_mut().insert("africa", 92388);
    shared_map.borrow_mut().insert("kyoto", 11837);
    shared_map.borrow_mut().insert("piccadilly", 11826);
    shared_map.borrow_mut().insert("marbles", 38);
}

从上例可看出，用了 RefCell 后，外面是 不可变引用 的情况，一样地可以修改被包裹的对象。

常用方法

.borrow()

不可变借用被包裹值。同时可存在多个不可变借用。

比如：

use std::cell::RefCell;

let c = RefCell::new(5);

let borrowed_five = c.borrow();
let borrowed_five2 = c.borrow();

下面的例子会崩溃：

use std::cell::RefCell;
use std::thread;

let result = thread::spawn(move || {
   let c = RefCell::new(5);
   let m = c.borrow_mut();

   let b = c.borrow(); // this causes a panic
}).join();

assert!(result.is_err());

.borrow_mut()

可变借用被包裹值。同时只能有一个可变借用。

比如：

use std::cell::RefCell;

let c = RefCell::new(5);

let borrowed_five = c.borrow_mut();

下面的例子会崩溃：

use std::cell::RefCell;
use std::thread;

let result = thread::spawn(move || {
   let c = RefCell::new(5);
   let m = c.borrow();

   let b = c.borrow_mut(); // this causes a panic
}).join();

assert!(result.is_err());

.into_inner()

取出包裹值。

use std::cell::RefCell;

let c = RefCell::new(5);

let five = c.into_inner();

一个综合示例

下面这个示例，表述的是如何实现两个对象的循环引用。综合演示了 Rc, Weak, RefCell 的用法

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

struct Owner {
    name: String,
    gadgets: RefCell<Vec<Weak<Gadget>>>,
    // 其他字段
}

struct Gadget {
    id: i32,
    owner: Rc<Owner>,
    // 其他字段
}

fn main() {
    // 创建一个可计数的Owner。
    // 注意我们将gadgets赋给了Owner。
    // 也就是在这个结构体里， gadget_owner包含gadets
    let gadget_owner : Rc<Owner> = Rc::new(
        Owner {
            name: "Gadget Man".to_string(),
            gadgets: RefCell::new(Vec::new()),
        }
    );

    // 首先，我们创建两个gadget，他们分别持有 gadget_owner 的一个引用。
    let gadget1 = Rc::new(Gadget{id: 1, owner: gadget_owner.clone()});
    let gadget2 = Rc::new(Gadget{id: 2, owner: gadget_owner.clone()});

    // 我们将从gadget_owner的gadgets字段中持有其可变引用
    // 然后将两个gadget的Weak引用传给owner。
    gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget1));
    gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget2));

    // 遍历 gadget_owner的gadgets字段
    for gadget_opt in gadget_owner.gadgets.borrow().iter() {

        // gadget_opt 是一个 Weak<Gadget> 。 因为 weak 指针不能保证他所引用的对象
        // 仍然存在。所以我们需要显式的调用 upgrade() 来通过其返回值(Option<_>)来判
        // 断其所指向的对象是否存在。
        // 当然，这个Option为None的时候这个引用原对象就不存在了。
        let gadget = gadget_opt.upgrade().unwrap();
        println!("Gadget {} owned by {}", gadget.id, gadget.owner.name);
    }

    // 在main函数的最后， gadget_owner, gadget1和daget2都被销毁。
    // 具体是，因为这几个结构体之间没有了强引用（`Rc<T>`），所以，当他们销毁的时候。
    // 首先 gadget1和gadget2被销毁。
    // 然后因为gadget_owner的引用数量为0，所以这个对象可以被销毁了。
    // 循环引用问题也就避免了
}