需要关于Rust的细胞和参考计数类型的整体解释

Posted 2021-04-21

Rust标准库中有几种包装类型：

• std::cell module中的细胞：Cell和RefCell
• 引用计数包装器，如Rc和Arc。
• 例如，std::sync module中的类型：Mutex或AtomicBool

据我了解，这些是包装器，提供了比简单参考更多的可能性。虽然我理解一些基础知识，但我看不到整体情况。

他们到底做了什么？细胞和参考计数家族是否提供正交或类似的特征？

答案

Rust中有两个基本概念：

• 所有权，
• 可变性。

各种指针类型（Box，Rc，Arc）与所有权有关：它们允许控制单个对象是否存在单个或多个所有者。

另一方面，各种细胞（Cell，RefCell，Mutex，RwLock，AtomicXXX）与可变性有关。

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Rust的安全性的基本规则是别名XOR Mutability。也就是说，如果没有对其内部的未完成引用，则只能安全地改变对象。

此规则通常由借用检查器在编译时强制执行：

• 如果你有一个&T，你也不能在范围内有同一个对象的&mut T，
• 如果你有一个&mut T，你也不能在范围内对同一个对象有任何引用。

但是，有时候，这还不够灵活。有时你需要（或想要）能够对同一个对象进行多次引用然后改变它。输入单元格。

Cell和RefCell的想法是允许以受控方式存在混淆的可变性：

• Cell防止形成对其内部的引用，避免悬挂引用，
• RefCell将Aliasing XOR Mutability的执行从编译时转移到运行时。

此功能有时被描述为提供内部可变性，即从外部看起来不可变的对象（&T）实际上可以被突变。

当这种可变性扩展到多个线程时，您将改为使用Mutex，RwLock或AtomicXXX;它们提供相同的功能：

• AtomicXXX只是Cell：没有提到内部，只是移入/移出，
• RwLock只是RefCell：可以通过警卫获取内部参考，
• Mutex是RwLock的简化版本，它不区分只读保护和写保护;所以在概念上类似于只有RefCell方法的borrow_mut。

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如果你来自C ++背景：

• Box是unique_ptr，
• Arc是shared_ptr，
• Rc是shared_ptr的非线程安全版本。

这些单元提供与mutable类似的功能，除了提供额外保证以避免混叠问题;将Cell视为std::atomic和RefCell作为std::shared_mutex的非线程安全版本（如果采取锁定则抛出而不是阻塞）。

另一答案

感谢Matthieu's good answer，这是一个帮助人们找到所需包装的图表：

+-----------+
| Ownership |
+--+--------+                              +================+
   |                         +-Static----->| T              |(1)
   |                         |             +================+
   |                         |
   |                         |             +================+
   |          +-----------+  | Local    Val| Cell<T>        |(1)
   +-Unique-->| Borrowing +--+-Dynamic---->|----------------|
   |          +-----------+  |          Ref| RefCell<T>     |(1)
   |                         |             +================+
   |                         |
   |                         |             +================+
   |                         | Threaded    | AtomicT        |(2)
   |                         +-Dynamic---->|----------------|
   |                                       | Mutex<T>       |(1)
   |                                       | RwLock<T>      |(1)
   |                                       +================+
   |
   |
   |                                       +================+
   |                         +-No--------->| Rc<T>          |
   |                         |             +================+
   | Locally  +-----------+  |
   +-Shared-->| Mutable?  +--+             +================+
   |          +-----------+  |          Val| Rc<Cell<T>>    |
   |                         +-Yes-------->|----------------|
   |                                    Ref| Rc<RefCell<T>> |
   |                                       +================+
   |
   |
   |                                       +================+
   |                         +-No--------->| Arc<T>         |
   |                         |             +================+
   | Shared   +-----------+  |
   +-Between->| Mutable?  +--+             +================+
     Threads  +-----------+  |             | Arc<AtomicT>   |(2)
                             +-Yes-------->|----------------|
                                           | Arc<Mutex<T>>  |
                                           | Arc<RwLock<T>> |
                                           +================+

1. 在这些情况下，T可以用Box<T>替换
2. 当AtomicT是T或数字时，请使用bool

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要知道你是否应该使用Mutex或RwLock，请参阅this related question。