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rust学习Cell、RefCell、OnceCell

news 2025/6/28 14:19:08

背景

Rust 内存安全基于以下规则：给定一个对象 T，它只能具有以下之一：

对对象有多个不可变引用 (&T)（也称为别名 aliasing）
对对象有一个可变引用 (&mut T)（也称为可变性 mutability）

这是由 Rust 编译器强制执行的。然而，在某些情况下，该规则不够灵活（this rule is not flexible）。有时需要对一个对象有多个引用并对其进行修改（it is required to have multiple references to an object and yet mutate it）。

可共享的可变容器的存在是为了以受控的方式允许可变性（permit mutability in a controlled manner），即使存在别名（in the presence of aliasing）也是如此。 Cell、RefCell 和 OnceCell 允许以单线程方式执行此操作，它们不实现 Sync。（如果需要在多个线程之间进行别名和突变 do aliasing and mutation among multiple threads，Mutex、RwLock、OnceLock 或原子类型是执行此操作的正确数据结构）。

介绍

Cell、RefCell 和 OnceCell 类型的值可以通过共享引用（即公共 &T 类型）进行mutate，而大多数 Rust 类型只能通过唯一 (&mut T) 引用（unique reference）进行mutate。
这些cell类型提供了“内部可变性，interior mutability”（通过 &T 可变），与表现出“继承可变性”（仅通过 &mut T 可变）的典型 Rust 类型形成鲜明对比。

Cell类型分为三种类型：Cell、RefCell 和 OnceCell。每个都提供了一种不同的方式来提供安全的内部可变性（providing safe interior mutability）。

Cell

Cell 通过将值移入和移出cell来实现内部可变性（interior mutability）。也就是说，永远无法获得内部值的 &mut T，并且如果不将其替换为其他值，则无法直接获得该值本身。
这两条规则都确保永远不会有多个引用指向内部值。
该类型提供了以下方法：

对于实现 Copy 的类型， get 方法通过复制当前内部值来检索它
对于实现 Default 的类型， take 方法用 Default::default() 替换当前内部值并返回替换的值

所有的类型拥有：

replace：替换当前内部值并返回替换后的值
into_inner：此方法消耗 Cell 并返回内部值
set：此方法替换内部值，删除替换的值

Cell 通常用于更简单的类型，其中复制或移动值不太占用资源（例如数字），并且在可能的情况下通常应优先于其他cell类型。对于较大的no-copy类型，RefCell 提供了一些优势。

RefCell

RefCell 使用 Rust 的生命周期来实现“动态借用 dynamic borrowing”，这是一个可以声明对内部值的临时、独占、可变访问的过程（claim temporary, exclusive, mutable access）。 RefCell 的借用是在运行时跟踪的，这与 Rust 的引用类型（native reference）不同，后者在编译时完全静态跟踪。

对 RefCell 内部值的不可变引用 (&T) 可以通过 Borrow 获得，可变借用（mutable borrow） (&mut T)可以通过 Borrow_mut 获得。
当这些函数被调用时，它们首先验证 Rust 的借用规则是否得到满足：允许任意数量的不可变借用或允许单个可变借用，但决不能两者兼而有之。如果尝试借用违反这些规则，线程将出现panic。

RefCell 对应的 Sync 版本是 RwLock。

OnceCell

OnceCell 有点像 Cell 和 RefCell 的混合体（somewhat of a hybrid of Cell and RefCell），适用于通常只需要设置一次的值。这意味着无需移动或复制内部值（与 Cell 不同），也无需运行时检查（与 RefCell 不同）即可获取引用 &T。
但是，它的值一旦设置就无法更新，除非有对 OnceCell 的可变引用。
OnceCell提供了以下方法：

get：获取内部值的引用
set：如果未设置则设置内部值（返回Result）
get_or_init：返回内部值，如果需要则初始化它
get_mut：提供对内部值的可变引用，仅当有对单元格本身的可变引用时才可用
OnceCell 对应的Sync版本是 OnceLock

只能写入一次的 cell （which can be written to only once）
这允许获取对其内部值的共享 &T 引用，而无需复制或替换它（与 Cell 不同），并且无需运行时借用检查（与 RefCell 不同）。但是，除非对 Cell 本身具有可变引用，否则只能获得不可变引用。
有关此结构的线程安全版本，请参阅 std::sync::OnceLock

use std::cell::OnceCell;fn main(){let cell = OnceCell::new();assert!(cell.get().is_none());let value: &String = cell.get_or_init(|| {"Hello, World!".to_string()});assert_eq!(value, "Hello, World!");assert!(cell.get().is_some());
}