简明 Rust - References and Borrowing

Posted on October 25, 2022

指针是万恶之源。

你不拥有这块数据，你只是有一个指向这块数据的地址（数据引用）。如果数据被删了，被改了，你根本就不知道。换言之，你所依赖的这块数据并不安全。因为你担心别的代码对它动手脚。很多 bug 就是这么出现的，data race, dangling pointer，诸如此类。

细想一下，数据的安全性主要由两个因素控制：

换言之，一块数据之所以会不安全，是因为它同时满足了共享性和可变性。有这块数据引用的可能不止一个地方，而且都能修改这块数据，我们就开始担心别的引用会修改这块数据，破坏我的这块代码的假设。

于是，要想得到数据安全，只需要：

禁止数据共享。这个好理解，如果这块数据是你独享的，只有你一个引用，那么别的代码不可能对它动手脚，数据是安全的。

禁止数据可变。是函数式的思路，比如 Haskell，不允许有副作用，要想改就基于旧的创建一个新的，数据手递手传递。这样你依赖一个数据，就可以放心地假设它不会被别人悄悄地修改。比如依赖一个字典，可以肯定这个字典的 key-values 不会被悄悄地改掉。

Rust 保护数据安全的机制就是这两个思路的组合：如果你要允许一个引用修改数据，那么就不允许创建多个引用 (共享数据）。如果你要创建多个引用 (共享数据)，那么就不允许这些引用修改数据。

简而言之：

共享不可变，可变不共享。

官方文档的说法如下：

At any given time, you can have either one mutable reference or any number of immutable references.

（值得注意的是，这是一个静态约束，即编译期的保证）

但凡事总有例外。

有些场景下，这个规则是必须得破坏掉的，否则便实现不了所需要的功能。

比如要实现一个共享 cache，程序的多个地方通过引用指向同一个 cache 对象来使用这个 cache。也就是说，共享 cache 的引用可能有多个（否则就称不上共享了）。

而对一个 cache 的主要使用方式，其实就是读和写。先读一下，如果发现 cache miss，那么就去获取这个 miss 的数据，然后写回 cache。也就是说，cache 的引用必须支持修改数据。

在共享 cache 这个场景下，我们既要能共享数据，又要能修改数据。既要共享性，也要可变性。上文提到的规则不适用了。

Rust 提供了另一个机制来处理这种场景。官方说法叫内部可变性(interior-mutability)。其实它的真正意思是：共享可变性(shared-mutability)。

共享可变性在运行期，而不是编译期来保证数据安全。核心做法是使用 Cell 类型。

(注：共享可变性是一个极其重要的 pattern，具体可以参考：深入 Rust - 共享可变性)

总结一下：