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@ -0,0 +1,196 @@
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# 同时在函数内外使用引用导致的重复借用错误
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本文将彻底解决一个困扰广大Rust用户已久的常见错误:因为在函数内外同时借用一个引用,导致了重复借用错误`cannot borrow *self as mutable because it is also borrowed as immutable`.
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> 本文大部分内容节选自[Rust陷阱系列](https://www.zhihu.com/column/c_1454754106916806656)专题,由于借用是新手绕不过去的坎,因此将其提取出来形成一个新的系列
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## 正确的代码
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```rust
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struct Test {
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a : u32,
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b : u32
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}
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impl Test {
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fn increase(&mut self) {
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let mut a = &mut self.a;
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let mut b = &mut self.b;
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*b += 1;
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*a += 1;
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}
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}
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```
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这段代码是可以正常编译的,也许有读者会有疑问,`self`在这里被两个变量以可变的方式借用了,明明违反了Rust的所有权规则,为何它不会报错?
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答案要从很久很久之前开始(啊哒~~~由于我太啰嗦,被正义群众来了一下,那咱现在开始长话短说,直接进入主题)。
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#### 正确代码为何不报错?
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虽然从表面来看,`a`和`b`都可变引用了`self`,但是Rust的编译器在很多时候都足够聪明,它发现我们其实仅仅引用了同一个结构体中的不同字段,因此完全可以将其的借用权分离开来。
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因此,虽然我们不能同时对整个结构体进行可变引用,但是我们可以分别对结构体中的不同字段进行可变引用,当然,一个字段至多也只能存在一个可变引用,这个最基本的所有权规则还是不能违反的。变量`a`引用结构体字段`a`,变量`b`引用结构体字段`b`,从底层来说,这种方式也不会造成两个可变引用指向了同一块内存。
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至此,正确代码我们已经挖掘完毕,再来看看重构后的错误代码。
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## 重构后的错误代码
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```rust
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struct Test {
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a : u32,
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b : u32
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}
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impl Test {
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fn increase_a (&mut self) {
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self.a += 1;
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}
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fn increase(&mut self) {
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let b = &mut self.b;
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self.increase_a();
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*b += 1;
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}
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}
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```
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果然不正义的代码就是不好看,但是邪恶的它更强了吗?
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```console
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error[E0499]: cannot borrow `*self` as mutable more than once at a time
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--> src/main.rs:14:9
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13 | let b = &mut self.b;
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| ----------- first mutable borrow occurs here
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14 | self.increase_a();
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| ^^^^ second mutable borrow occurs here
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15 | *b += 1;
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| ------- first borrow later used here
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```
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嗯,最开始提到的错误,它终于出现了。
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## 大聪明编译器
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为什么?明明之前还是正确的代码,就因为放入函数中就报错了?我们先从一个简单的理解谈起,当然这个理解也是浮于表面的,等会会深入分析真实的原因。
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之前讲到Rust编译器挺聪明,可以识别到引用到不同的结构体字段,因此不会报错。但是现在这种情况下,编译器又不够聪明了,一旦放入函数中,编译器将无法理解我们对`self`的使用:它仅仅用到了一个字段,而不是整个结构体。
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因此它会简单的认为,这个结构体作为一个整体被可变借用了,产生两个可变引用,一个引用整个结构体,一个引用了结构体字段`b`,这两个引用存在重叠的部分,最终导致编译错误。
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## 被冤枉的编译器
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在工作生活中,我们无法理解甚至错误的理解一件事,有时是因为层次不够导致的。同样,对于本文来说,也是因为我们对编译器的所知不够,才冤枉了它,还给它起了一个屈辱的“大聪明”外号。
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#### 深入分析
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> 如果只改变相关函数的实现而不改变它的签名,那么不会影响编译的结果
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何为相关函数?当函数`a`调用了函数`b`,那么`b`就是`a`的相关函数。
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上面这句是一条非常重要的编译准则,意思是,对于编译器来说,只要函数签名没有变,那么任何函数实现的修改都不会影响已有的编译结果(前提是函数实现没有错误- , -)。
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以前面的代码为例:
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```rust
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fn increase_a (&mut self) {
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self.a += 1;
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}
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fn increase(&mut self) {
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let b = &mut self.b;
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self.increase_a();
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*b += 1;
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}
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```
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虽然`increase_a`在函数实现中没有访问`self.b`字段,但是它的签名允许它访问`b`,因此违背了借用规则。事实上,该函数有没有访问`b`不重要,**因为编译器在这里只关心签名,签名存在可能性,那么就立刻报出错误**。
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为何会有这种编译器行为,主要有两个原因:
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1. 一般来说,我们希望编译器有能力独立的编译每个函数,而无需深入到相关函数的内部实现,因为这样做会带来快得多的编译速度。
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2. 如果没有这种保证,那么在实际项目开发中,我们会特别容易遇到各种错误。 假设我们要求编译器不仅仅关注相关函数的签名,还要深入其内部关注实现,那么由于Rust严苛的编译规则,当你修改了某个函数内部实现的代码后,可能会引起使用该函数的其它函数的各种错误!对于大型项目来说,这几乎是不可接受的!
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然后,我们的借用类型这么简单,编译器有没有可能针对这种场景,在现有的借用规则之外增加特殊规则?答案是否定的,由于Rust语言的设计哲学:特殊规则的加入需要慎之又慎,而我们的这种情况其实还蛮好解决的,因此编译器不会为此新增规则。
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## 解决办法
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在深入分析中,我们提到一条重要的规则,要影响编译行为,就需要更改相关函数的签名,因此可以修改`increate_a`的签名:
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```rust
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fn increase_a (a :&mut u32) {
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*a += 1;
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}
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fn increase(&mut self) {
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let b = &mut self.b;
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Test::increase_a(&mut self.a);
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*b += 1;
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}
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```
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此时,`increase_a`这个相关函数,不再使用`&mut self`作为签名,而是获取了结构体中的字段`a`,此时编译器又可以清晰的知道:函数`increase_a`和变量`b`分别引用了结构体中的不同字段,因此可以编译通过。
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当然,除了修改相关函数的签名,你还可以修改调用者的实现:
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```rust
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fn increase(&mut self) {
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self.increase_a();
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self.b += 1;
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}
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```
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在这里,我们不再单独声明变量`b`,而是直接调用`self.b+=1`进行递增,根据借用生命周期[NLL](https://course.rs/advance/lifetime/advance.html#nllnon-lexical-lifetime)的规则,第一个可变借用`self.increase_a()`的生命周期随着方法调用的结束而结束,那么就不会影响`self.b += 1`中的借用。
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## CPU模拟例子
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我们再来看一个例子:
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```rust
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use std::collections::HashMap;
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struct Cpu {
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pc: u16,
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cycles: u32,
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opcodes: HashMap<u8, Opcode>,
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}
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struct Opcode {
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size: u16,
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cycles: u32,
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}
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impl Cpu {
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fn new() -> Cpu {
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Cpu {
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pc: 0,
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cycles: 0,
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opcodes: HashMap::from([
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(0x00, Opcode::new(1, 7)),
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(0x01, Opcode::new(2, 6))
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]),
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}
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}
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fn tick(&mut self) {
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let address = self.pc as u8;
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let opcode = &self.opcodes[&address];
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step(&mut self, opcode);
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}
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}
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fn step(cpu : &mut Cpu, opcode: &Opcode) {
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}
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impl Opcode {
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fn new(size: u16, cycles: u32) -> Opcode {
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Opcode { size, cycles }
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}
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}
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fn main() {
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let mut cpu = Cpu::new();
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cpu.tick();
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}
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```
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## 总结
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知其然知其所以然,要彻底解决借用导致的编译错误,我们就必须深入了解其原理,心中有剑则手中无"贱"。
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上面的例子就留给读者朋友自己去解决,相信你以后在遇到这种常见问题时,会更加游刃有余。
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