Rust 中的指针：Box、Rc、Cell、RefCell

作者：许野平 2022-02-21

Rust 自身具有 &、* 操作符，可以实现变量引用和解引用。为什么又搞出这几个类型的指针呢？原因就是想突破 Rust 坚持的”共享不可写、可写不共享“的原则。我们看看 Rust 编译器的”道德底线“是如何被一步一步突破的吧。

1 Box 类型

我在《 Rust 的 Box指针》一文中详细讨论了 Box 的特点。看一个简单的例子：

fn main() {
    
    let x = String::from("Hello!");
    let y = Box::new(x);
    println!("{:?}", y);
}

其实这段代码与下面的代码几乎是等价的：

fn main() {
    
    let x = String::from("Hello!");
    let y = &x;
    println!("{:?}", y);
}

还有一段 Box 代码，展示了在设计链表结构时的用法：

#[derive (Debug)]
struct Node {
    
    data: i32,
    next: Option<Box<Node>>,
}
fn main() {
    
    let x = Node {
    
        data: 123,
        next: None,
    };
    let y = Box::new(x);
    println!("{:?}", y);
}
---------------------------------
>cargo run
Node {
     data: 123, next: None }

我尝试把 Box 改成 &，结果因为生命周期的问题，我整了老半天也没能通过编译。代码贴到下面，哪位大神能给是点一下？

#[derive (Debug)]
struct Node <'a>{
    
    data: i32,
    next: Option<&'a Node>,
}
fn main() {
    
    let x = Node {
    
        data: 123,
        next: None,
    };
    let y = Box::new(x);
    println!("{:?}", y);
}
---------------------------------
>cargo run
 --> src\main.rs:4:22
  |
4 |     next: Option<&'a Node>,
  |                      ^^^^ expected named lifetime parameter
  |
help: consider using the `'a` lifetime

别管 & 能不能代替 Box，反正这件事告诉我，Box 帮助我们简化了好多工作，比直接用 & 更省事。

2 Rc 类型

看下面的代码：

use std::rc::Rc;
fn main() {
    
    let x = Rc::new(123);
    let y = x.clone();
    println!("{:?}, {:?}", x, y);
}
---------------------------------------------------
cargo run
123, 123

其实这个从逻辑上讲，也可以用 & 代替。一个变量的地址可以分配给多个变量，对不对？可是 rust 中的生命周期问题，够我们喝一壶的。所以，Rc 的存在价值就是可以避免生命周期检查，使得同一份数据可以在多个地方被引用。

3 Cell 类型

Cell 类型披着只读变量的外衣，允许程序修改变量内容。尽管 Rust 有一个原则——“共享不可写，可写不共享”，由于 Cell 表面上看是只读的，因此，Cell 类型的数据可以被多个地方引用，实现同一个数据可以被多个共享引用修改。因为 Cell 从语法上看是只读的，所以编译器不会报错。

Cell 可以用 get 方法返回数据。由于执行的 Copy 方法，因此要求数据必须实现 Copy 特性。

use std::cell::Cell;
fn main() {
    
    let x = Cell::new(123);
    x.set(456);
    let y = x.get();
    println!("{:?}, {:?}", x, y);
}
------------------------------------------------------
>cargo run
Cell {
     value: 456 }, 456

4 RefCell

RefCell 与 Cell 基本相同，区别在于 RefCell 读取内容时，返回的是引用，本质上是一个指针。这是因为 RefCell 要包装的数据没有实现 Copy 特性。代码示例如下：

use std::cell::{
    Ref, RefCell};
fn main() {
    
    let x = RefCell::new("good".to_string());
    let a = &x;
    let b = &x;
    *a.borrow_mut() = "nice".to_string();
    *b.borrow_mut() = "best".to_string();
    let y: Ref<String> = x.borrow();
    println!("x = {:?}", x);
    println!("y = {:?}", y);
}
---------------------------------------------------
>cargo run
x = RefCell {
     value: "best" }
y = "best"

5 总结

• Box 等引用类型，简化了变量生命周期问题。
• Rc 允许 clone() 方法产生变量的多个副本，但这些副本并未真正分配内存，而是共享了相同的数据。
• Cell 在语法上看是只读的引用，而事实上是可以修改的。Cell 原则上只能引用实现了 Copy 特性的变量。
• RefCell 与 Cell 类似，但是可以引用未实现 Copy 特性的变量。