一、為什么需要內(nèi)部可變性？

通常，Rust 編譯器通過(guò)靜態(tài)分析確保：

• 同一時(shí)刻只能存在一個(gè)可變引用，或任意多個(gè)不可變引用；
• 引用始終保持有效。

這種嚴(yán)格的借用規(guī)則使得許多內(nèi)存錯(cuò)誤在編譯階段就能被捕獲，但也因此在某些場(chǎng)景下過(guò)于保守。

例如，當(dāng)我們需要在不可變對(duì)象的內(nèi)部修改狀態(tài)時(shí)（比如記錄日志、計(jì)數(shù)等），就需要借助內(nèi)部可變性。通過(guò)內(nèi)部可變性，我們可以在外部保持不可變的同時(shí)，通過(guò)封裝的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的變更，而這些變更的安全性則由運(yùn)行時(shí)檢查保證。

二、RefCell<T>：運(yùn)行時(shí)借用規(guī)則的守護(hù)者

與 Box<T> 和 Rc<T> 不同，RefCell<T> 使用運(yùn)行時(shí)而非編譯時(shí)來(lái)檢查借用規(guī)則。它提供了兩個(gè)核心方法：

• borrow() 返回一個(gè) Ref<T> 智能指針，相當(dāng)于不可變引用。
• borrow_mut() 返回一個(gè) RefMut<T> 智能指針，相當(dāng)于可變引用。

每當(dāng)調(diào)用 borrow 或 borrow_mut 時(shí)，RefCell<T> 都會(huì)在內(nèi)部記錄當(dāng)前的借用狀態(tài)。如果試圖同時(shí)獲取多個(gè)可變引用，或者在已有可變引用的情況下獲取不可變引用，RefCell<T> 將在運(yùn)行時(shí)觸發(fā) panic，從而防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。

例如，下述代碼嘗試在同一作用域內(nèi)創(chuàng)建兩個(gè)可變借用，就會(huì)觸發(fā) panic：

let cell = RefCell::new(5);
let _borrow1 = cell.borrow_mut();
let _borrow2 = cell.borrow_mut(); // 此處將 panic: already borrowed: BorrowMutError

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，它允許我們?cè)谀承╈o態(tài)檢查無(wú)法覆蓋的場(chǎng)景下依然保證數(shù)據(jù)安全；缺點(diǎn)則是這些檢查會(huì)帶來(lái)一定的運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)可能將錯(cuò)誤暴露在生產(chǎn)環(huán)境中。

三、實(shí)際案例：使用 RefCell<T> 編寫(xiě) Mock 對(duì)象

在測(cè)試代碼中，我們常常需要模擬一些真實(shí)對(duì)象的行為（即所謂的“測(cè)試替身”或 mock 對(duì)象），以驗(yàn)證代碼邏輯是否正確。

假設(shè)我們有一個(gè) Messenger 接口，其 send 方法只接受不可變引用。這在編寫(xiě) mock 對(duì)象時(shí)會(huì)帶來(lái)問(wèn)題：我們希望在調(diào)用 send 時(shí)記錄下發(fā)送的信息，但由于方法簽名只接受 &self，直接修改內(nèi)部狀態(tài)會(huì)違反 Rust 的借用規(guī)則。

解決方案是使用 RefCell<T> 來(lái)包裝內(nèi)部的可變狀態(tài)。

例如，我們可以這樣定義一個(gè) MockMessenger：

struct MockMessenger {
    sent_messages: RefCell<Vec<String>>,
}

impl MockMessenger {
    fn new() -> MockMessenger {
        MockMessenger {
            sent_messages: RefCell::new(vec![]),
        }
    }
}

impl Messenger for MockMessenger {
    fn send(&self, message: &str) {
        // 雖然 `self` 是不可變引用，但我們可以通過(guò) `RefCell<T>` 在運(yùn)行時(shí)獲取可變引用
        self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(message));
    }
}

這樣，在測(cè)試中，我們可以通過(guò)調(diào)用 borrow() 來(lái)檢查內(nèi)部保存的消息，而無(wú)需修改 Messenger trait 的定義。

RefCell<T> 的內(nèi)部借用計(jì)數(shù)確保了我們?cè)谑褂脮r(shí)不會(huì)違反借用規(guī)則。

四、結(jié)合 Rc<T> 實(shí)現(xiàn)多所有權(quán)的可變數(shù)據(jù)

有時(shí)我們希望多個(gè)所有者可以共享同一份數(shù)據(jù)，并且能夠修改其中的值。這時(shí)可以結(jié)合使用 Rc<T> 和 RefCell<T>。Rc<T> 允許多個(gè)所有者共享數(shù)據(jù)，而 RefCell<T> 則允許我們?cè)诓豢勺円玫纳舷挛闹行薷臄?shù)據(jù)。

例如，下例展示了如何創(chuàng)建一個(gè)共享的可變值，并通過(guò)多個(gè)所有者修改它：

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

enum List {
    Cons(Rc<RefCell<i32>>, Rc<List>),
    Nil,
}

use List::{Cons, Nil};

fn main() {
    let value = Rc::new(RefCell::new(5));
    let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil)));
    let b = Cons(Rc::clone(&value), Rc::clone(&a));
    let c = Cons(Rc::clone(&value), Rc::clone(&a));

    // 修改內(nèi)部值
    *value.borrow_mut() += 10;

    // 輸出 a, b, c 中存儲(chǔ)的值都會(huì)反映內(nèi)部值的改變
    println!("a after modification: {:?}", a);
}

通過(guò)這種方式，我們既能享受多所有權(quán)的便利，又能保持內(nèi)部數(shù)據(jù)的可變性。這在需要共享狀態(tài)的場(chǎng)景下非常有用，但需要注意的是，這種模式僅適用于單線程場(chǎng)景；如果在多線程環(huán)境中，則應(yīng)使用 Mutex<T> 等線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

五、總結(jié)

內(nèi)部可變性：允許在不可變引用中修改內(nèi)部數(shù)據(jù)。通過(guò)封裝 unsafe 代碼，將運(yùn)行時(shí)檢查借用規(guī)則的責(zé)任交給 RefCell<T>。

RefCell 的特點(diǎn)：在運(yùn)行時(shí)記錄不可變與可變借用的狀態(tài)，一旦違反借用規(guī)則會(huì)導(dǎo)致 panic。這為某些靜態(tài)檢查無(wú)法覆蓋的場(chǎng)景提供了解決方案。

應(yīng)用場(chǎng)景：

• Mock 對(duì)象：在測(cè)試中記錄調(diào)用信息，滿足接口要求而無(wú)需修改方法簽名。
• 多所有權(quán)與可變性結(jié)合：結(jié)合 Rc<T> 和 RefCell<T>，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)所有者共享并修改數(shù)據(jù)，但僅適用于單線程環(huán)境。

內(nèi)部可變性為 Rust 程序員提供了一種在嚴(yán)格的編譯時(shí)借用檢查之外，依然保持內(nèi)存安全的靈活方案。只需謹(jǐn)慎使用，理解其運(yùn)行時(shí)檢查的局限性，即可在設(shè)計(jì)上更好地解決某些復(fù)雜場(chǎng)景的問(wèn)題。

希望這篇博客能夠幫助你更好地理解 RefCell<T> 及其在 Rust 中的實(shí)際應(yīng)用。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。