RefCell<T> 与内部可变性模式 - Rust 程序设计语言简体中文版

这些代码中一个重要部分是拥有一个方法 send 的 Messenger trait，其获取一个 self 的不可变引用和文本信息。这个 trait 是 mock 对象所需要实现的接口库，这样 mock 就能像一个真正的对象那样使用了。另一个重要的部分是我们需要测试 LimitTracker 的 set_value 方法的行为。可以改变传递的 value 参数的值，不过 set_value 并没有返回任何可供断言的值。我们希望能够说，如果我们创建一个实现了 Messenger trait 和具有特定 max 值的 LimitTracker 时，当传递不同 value 值时，消息发送者应被告知发送合适的消息。

我们所需的 mock 对象是，调用 send 并不实际发送 email 或消息，而是只记录信息被通知要发送了。可以新建一个 mock 对象实例，用其创建 LimitTracker，调用 LimitTracker 的 set_value 方法，然后检查 mock 对象是否有我们期望的消息。示例 15-21 展示了一个如此尝试的 mock 对象实现，不过借用检查器并不允许：

文件名：src/lib.rs

pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &'a T, max: usize) -> LimitTracker<'a, T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You've used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You've used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: Vec<String>,
    }

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

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) {
            self.sent_messages.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.len(), 1);
    }
}

示例 15-21：尝试实现 MockMessenger，借用检查器不允许这么做

测试代码定义了一个 MockMessenger 结构体，其 sent_messages 字段为一个 String 值的 Vec 用来记录被告知发送的消息。我们还定义了一个关联函数 new 以便于新建从空消息列表开始的 MockMessenger 值。接着为 MockMessenger 实现 Messenger trait 这样就可以为 LimitTracker 提供一个 MockMessenger。在 send 方法的定义中，获取传入的消息作为参数并储存在 MockMessenger 的 sent_messages 列表中。

在测试中，我们测试了当 LimitTracker 被告知将 value 设置为超过 max 值 75% 的某个值。首先新建一个 MockMessenger，其从空消息列表开始。接着新建一个 LimitTracker 并传递新建 MockMessenger 的引用和 max 值 100。我们使用值 80 调用 LimitTracker 的 set_value 方法，这超过了 100 的 75%。接着断言 MockMessenger 中记录的消息列表应该有一条消息。

然而，这个测试是有问题的：

$ cargo test
   Compiling limit-tracker v0.1.0 (file:///projects/limit-tracker)
error[E0596]: cannot borrow `self.sent_messages` as mutable, as it is behind a `&` reference
  --> src/lib.rs:58:13
   |
2  |     fn send(&self, msg: &str);
   |             ----- help: consider changing that to be a mutable reference: `&mut self`
...
58 |             self.sent_messages.push(String::from(message));
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ `self` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable

For more information about this error, try `rustc --explain E0596`.
error: could not compile `limit-tracker` due to previous error
warning: build failed, waiting for other jobs to finish...

不能修改 MockMessenger 来记录消息，因为 send 方法获取了 self 的不可变引用。我们也不能参考错误文本的建议使用 &mut self 替代，因为这样 send 的签名就不符合 Messenger trait 定义中的签名了（可以试着这么改，看看会出现什么错误信息）。

这正是内部可变性的用武之地！我们将通过 RefCell 来储存 sent_messages，然后 send 将能够修改 sent_messages 并储存消息。示例 15-22 展示了代码：

文件名：src/lib.rs

pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &'a T, max: usize) -> LimitTracker<'a, T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You've used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You've used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    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) {
            self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        // --snip--
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}

示例 15-22：使用 RefCell<T> 能够在外部值被认为是不可变的情况下修改内部值

现在 sent_messages 字段的类型是 RefCell<Vec<String>> 而不是 Vec<String>。在 new 函数中新建了一个 RefCell<Vec<String>> 实例替代空 vector。

对于 send 方法的实现，第一个参数仍为 self 的不可变借用，这是符合方法定义的。我们调用 self.sent_messages 中 RefCell 的 borrow_mut 方法来获取 RefCell 中值的可变引用，这是一个 vector。接着可以对 vector 的可变引用调用 push 以便记录测试过程中看到的消息。

最后必须做出的修改位于断言中：为了看到其内部 vector 中有多少个项，需要调用 RefCell 的 borrow 以获取 vector 的不可变引用。

现在我们见识了如何使用 RefCell<T>，让我们研究一下它怎样工作的！

`RefCell<T>` 在运行时记录借用

当创建不可变和可变引用时，我们分别使用 & 和 &mut 语法。对于 RefCell<T> 来说，则是 borrow 和 borrow_mut 方法，这属于 RefCell<T> 安全 API 的一部分。borrow 方法返回 Ref<T> 类型的智能指针，borrow_mut 方法返回 RefMut<T> 类型的智能指针。这两个类型都实现了 Deref，所以可以当作常规引用对待。

RefCell<T> 记录当前有多少个活动的 Ref<T> 和 RefMut<T> 智能指针。每次调用 borrow，RefCell<T> 将活动的不可变借用计数加一。当 Ref<T> 值离开作用域时，不可变借用计数减一。就像编译时借用规则一样，RefCell<T> 在任何时候只允许有多个不可变借用或一个可变借用。

如果我们尝试违反这些规则，相比引用时的编译时错误，RefCell<T> 的实现会在运行时出现 panic。示例 15-23 展示了对示例 15-22 中 send 实现的修改，这里我们故意尝试在相同作用域创建两个可变借用以便演示 RefCell<T> 不允许我们在运行时这么做：

文件名：src/lib.rs

pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &'a T, max: usize) -> LimitTracker<'a, T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You've used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You've used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    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) {
            let mut one_borrow = self.sent_messages.borrow_mut();
            let mut two_borrow = self.sent_messages.borrow_mut();

            one_borrow.push(String::from(message));
            two_borrow.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}

示例 15-23：在同一作用域中创建两个可变引用并观察 RefCell<T> panic

这里为 borrow_mut 返回的 RefMut 智能指针创建了 one_borrow 变量。接着用相同的方式在变量 two_borrow 创建了另一个可变借用。这会在相同作用域中创建两个可变引用，这是不允许的。当运行库的测试时，示例 15-23 编译时不会有任何错误，不过测试会失败：

$ cargo test
   Compiling limit-tracker v0.1.0 (file:///projects/limit-tracker)
    Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.91s
     Running unittests src/lib.rs (target/debug/deps/limit_tracker-e599811fa246dbde)

running 1 test
test tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message ... FAILED

failures:

---- tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message stdout ----
thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/lib.rs:60:53
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace


failures:
    tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message

test result: FAILED. 0 passed; 1 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out; finished in 0.00s

error: test failed, to rerun pass `--lib`

注意代码 panic 和信息 already borrowed: BorrowMutError。这也就是 RefCell<T> 如何在运行时处理违反借用规则的情况。

像我们这里这样选择在运行时捕获借用错误而不是编译时意味着会发现在开发过程的后期才会发现的潜在错误，甚至有可能发布到生产环境才会发现。还会因为在运行时而不是编译时记录借用而导致少量的运行时性能惩罚。然而，使用 RefCell 使得在只允许不可变值的上下文中编写修改自身以记录消息的 mock 对象成为可能。虽然有取舍，但是我们可以选择使用 RefCell<T> 来获得比常规引用所能提供的更多的功能。

结合 `Rc<T>` 和 `RefCell<T>` 来拥有多个可变数据所有者

RefCell<T> 的一个常见用法是与 Rc<T> 结合。回忆一下 Rc<T> 允许对相同数据有多个所有者，不过只能提供数据的不可变访问。如果有一个储存了 RefCell<T> 的 Rc<T> 的话，就可以得到有多个所有者并且可以修改的值了！

例如，回忆示例 15-18 的 cons list 的例子中使用 Rc<T> 使得多个列表共享另一个列表的所有权。因为 Rc<T> 只存放不可变值，所以一旦创建了这些列表值后就不能修改。让我们加入 RefCell<T> 来获得修改列表中值的能力。示例 15-24 展示了通过在 Cons 定义中使用 RefCell<T>，我们就允许修改所有列表中的值了：

文件名：src/main.rs

#[derive(Debug)]
enum List {
    Cons(Rc<RefCell<i32>>, Rc<List>),
    Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

fn main() {
    let value = Rc::new(RefCell::new(5));

    let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil)));

    let b = Cons(Rc::new(RefCell::new(3)), Rc::clone(&a));
    let c = Cons(Rc::new(RefCell::new(4)), Rc::clone(&a));

    *value.borrow_mut() += 10;

    println!("a after = {:?}", a);
    println!("b after = {:?}", b);
    println!("c after = {:?}", c);
}

示例 15-24：使用 Rc<RefCell<i32>> 创建可以修改的 List

这里创建了一个 Rc<RefCell<i32>> 实例并储存在变量 value 中以便之后直接访问。接着在 a 中用包含 value 的 Cons 成员创建了一个 List。需要克隆 value 以便 a 和 value 都能拥有其内部值 5 的所有权，而不是将所有权从 value 移动到 a 或者让 a 借用 value。

我们将列表 a 封装进了 Rc<T> 这样当创建列表 b 和 c 时，它们都可以引用 a，正如示例 15-18 一样。

一旦创建了列表 a、b 和 c，我们将 value 的值加 10。为此对 value 调用了 borrow_mut，这里使用了第五章讨论的自动解引用功能（“-> 运算符到哪去了？” 部分）来解引用 Rc<T> 以获取其内部的 RefCell<T> 值。borrow_mut 方法返回 RefMut<T> 智能指针，可以对其使用解引用运算符并修改其内部值。

当我们打印出 a、b 和 c 时，可以看到它们都拥有修改后的值 15 而不是 5：

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.63s
     Running `target/debug/cons-list`
a after = Cons(RefCell { value: 15 }, Nil)
b after = Cons(RefCell { value: 3 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))
c after = Cons(RefCell { value: 4 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))

这是非常巧妙的！通过使用 RefCell<T>，我们可以拥有一个表面上不可变的 List，不过可以使用 RefCell<T> 中提供内部可变性的方法来在需要时修改数据。RefCell<T> 的运行时借用规则检查也确实保护我们免于出现数据竞争——有时为了数据结构的灵活性而付出一些性能是值得的。注意 RefCell<T> 不能用于多线程代码！Mutex<T> 是一个线程安全版本的 RefCell<T> ，我们会在第十六章讨论 Mutex<T>。

Rust 程序设计语言简体中文版

`RefCell<T>` 和内部可变性模式

通过 `RefCell<T>` 在运行时检查借用规则

内部可变性：不可变值的可变借用

内部可变性的用例：mock 对象

`RefCell<T>` 在运行时记录借用

结合 `Rc<T>` 和 `RefCell<T>` 来拥有多个可变数据所有者

Rust 程序设计语言 简体中文版

RefCell<T> 和内部可变性模式

通过 RefCell<T> 在运行时检查借用规则

内部可变性：不可变值的可变借用

内部可变性的用例：mock 对象

RefCell<T> 在运行时记录借用

结合 Rc<T> 和 RefCell<T> 来拥有多个可变数据所有者

Rust 程序设计语言简体中文版

`RefCell<T>` 和内部可变性模式

通过 `RefCell<T>` 在运行时检查借用规则

`RefCell<T>` 在运行时记录借用

结合 `Rc<T>` 和 `RefCell<T>` 来拥有多个可变数据所有者