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<!DOCTYPE HTML>
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<html lang="zh-CN" class="light sidebar-visible" dir="ltr">
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<head>
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<!-- Book generated using mdBook -->
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<meta charset="UTF-8">
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<title>Cell 与 RefCell 内部可变性 - Rust语言圣经(Rust Course)</title>
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<!-- Custom HTML head -->
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<meta name="description" content="">
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<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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<meta name="theme-color" content="#ffffff">
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<link rel="icon" href="../../favicon-de23e50b.svg">
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<link rel="shortcut icon" href="../../favicon-8114d1fc.png">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/variables-8adf115d.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/general-2459343d.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/chrome-ae938929.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/print-9e4910d8.css" media="print">
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<!-- Fonts -->
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<link rel="stylesheet" href="../../fonts/fonts-9644e21d.css">
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<!-- Highlight.js Stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-highlight-css" href="../../highlight-493f70e1.css">
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-tomorrow-night-css" href="../../tomorrow-night-4c0ae647.css">
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-ayu-highlight-css" href="../../ayu-highlight-3fdfc3ac.css">
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<!-- Custom theme stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" href="../../theme/style-78591068.css">
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<!-- Provide site root and default themes to javascript -->
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<script>
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const path_to_root = "../../";
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const default_light_theme = "light";
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const default_dark_theme = "navy";
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window.path_to_searchindex_js = "../../searchindex-4a1a74fa.js";
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</script>
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<!-- Start loading toc.js asap -->
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<script src="../../toc-42887675.js"></script>
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</head>
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<body>
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<div id="mdbook-help-container">
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<div id="mdbook-help-popup">
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<h2 class="mdbook-help-title">Keyboard shortcuts</h2>
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<div>
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<p>Press <kbd>←</kbd> or <kbd>→</kbd> to navigate between chapters</p>
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<p>Press <kbd>S</kbd> or <kbd>/</kbd> to search in the book</p>
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<p>Press <kbd>?</kbd> to show this help</p>
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<p>Press <kbd>Esc</kbd> to hide this help</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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<div id="mdbook-body-container">
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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<script>
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try {
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let theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
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let sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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if (theme.startsWith('"') && theme.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
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}
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if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
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}
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} catch (e) { }
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</script>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<script>
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const default_theme = window.matchMedia("(prefers-color-scheme: dark)").matches ? default_dark_theme : default_light_theme;
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let theme;
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try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
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if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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const html = document.documentElement;
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html.classList.remove('light')
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html.classList.add(theme);
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html.classList.add("js");
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</script>
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<input type="checkbox" id="mdbook-sidebar-toggle-anchor" class="hidden">
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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<script>
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let sidebar = null;
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const sidebar_toggle = document.getElementById("mdbook-sidebar-toggle-anchor");
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if (document.body.clientWidth >= 1080) {
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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sidebar = sidebar || 'visible';
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} else {
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sidebar = 'hidden';
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sidebar_toggle.checked = false;
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}
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if (sidebar === 'visible') {
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sidebar_toggle.checked = true;
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} else {
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html.classList.remove('sidebar-visible');
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|
}
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</script>
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<nav id="mdbook-sidebar" class="sidebar" aria-label="Table of contents">
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<!-- populated by js -->
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<mdbook-sidebar-scrollbox class="sidebar-scrollbox"></mdbook-sidebar-scrollbox>
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<noscript>
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<iframe class="sidebar-iframe-outer" src="../../toc.html"></iframe>
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</noscript>
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<div id="mdbook-sidebar-resize-handle" class="sidebar-resize-handle">
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<div class="sidebar-resize-indicator"></div>
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</div>
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</nav>
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<div id="mdbook-page-wrapper" class="page-wrapper">
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<div class="page">
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<div id="mdbook-menu-bar-hover-placeholder"></div>
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<div id="mdbook-menu-bar" class="menu-bar sticky">
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<div class="left-buttons">
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<label id="mdbook-sidebar-toggle" class="icon-button" for="mdbook-sidebar-toggle-anchor" title="Toggle Table of Contents" aria-label="Toggle Table of Contents" aria-controls="mdbook-sidebar">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 448 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M0 96C0 78.3 14.3 64 32 64H416c17.7 0 32 14.3 32 32s-14.3 32-32 32H32C14.3 128 0 113.7 0 96zM0 256c0-17.7 14.3-32 32-32H416c17.7 0 32 14.3 32 32s-14.3 32-32 32H32c-17.7 0-32-14.3-32-32zM448 416c0 17.7-14.3 32-32 32H32c-17.7 0-32-14.3-32-32s14.3-32 32-32H416c17.7 0 32 14.3 32 32z"/></svg></span>
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</label>
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<button id="mdbook-theme-toggle" class="icon-button" type="button" title="Change theme" aria-label="Change theme" aria-haspopup="true" aria-expanded="false" aria-controls="mdbook-theme-list">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 576 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M371.3 367.1c27.3-3.9 51.9-19.4 67.2-42.9L600.2 74.1c12.6-19.5 9.4-45.3-7.6-61.2S549.7-4.4 531.1 9.6L294.4 187.2c-24 18-38.2 46.1-38.4 76.1L371.3 367.1zm-19.6 25.4l-116-104.4C175.9 290.3 128 339.6 128 400c0 3.9 .2 7.8 .6 11.6c1.8 17.5-10.2 36.4-27.8 36.4H96c-17.7 0-32 14.3-32 32s14.3 32 32 32H240c61.9 0 112-50.1 112-112c0-2.5-.1-5-.2-7.5z"/></svg></span>
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</button>
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<ul id="mdbook-theme-list" class="theme-popup" aria-label="Themes" role="menu">
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-default_theme">Auto</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-light">Light</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-rust">Rust</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-coal">Coal</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-navy">Navy</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-ayu">Ayu</button></li>
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</ul>
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<button id="mdbook-search-toggle" class="icon-button" type="button" title="Search (`/`)" aria-label="Toggle Searchbar" aria-expanded="false" aria-keyshortcuts="/ s" aria-controls="mdbook-searchbar">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M416 208c0 45.9-14.9 88.3-40 122.7L502.6 457.4c12.5 12.5 12.5 32.8 0 45.3s-32.8 12.5-45.3 0L330.7 376c-34.4 25.2-76.8 40-122.7 40C93.1 416 0 322.9 0 208S93.1 0 208 0S416 93.1 416 208zM208 352c79.5 0 144-64.5 144-144s-64.5-144-144-144S64 128.5 64 208s64.5 144 144 144z"/></svg></span>
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</button>
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</div>
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<h1 class="menu-title">Rust语言圣经(Rust Course)</h1>
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<div class="right-buttons">
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<a href="../../print.html" title="Print this book" aria-label="Print this book">
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<span class=fa-svg id="print-button"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M128 0C92.7 0 64 28.7 64 64v96h64V64H354.7L384 93.3V160h64V93.3c0-17-6.7-33.3-18.7-45.3L400 18.7C388 6.7 371.7 0 354.7 0H128zM384 352v32 64H128V384 368 352H384zm64 32h32c17.7 0 32-14.3 32-32V256c0-35.3-28.7-64-64-64H64c-35.3 0-64 28.7-64 64v96c0 17.7 14.3 32 32 32H64v64c0 35.3 28.7 64 64 64H384c35.3 0 64-28.7 64-64V384zm-16-88c-13.3 0-24-10.7-24-24s10.7-24 24-24s24 10.7 24 24s-10.7 24-24 24z"/></svg></span>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course" title="Git repository" aria-label="Git repository">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 496 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M165.9 397.4c0 2-2.3 3.6-5.2 3.6-3.3.3-5.6-1.3-5.6-3.6 0-2 2.3-3.6 5.2-3.6 3-.3 5.6 1.3 5.6 3.6zm-31.1-4.5c-.7 2 1.3 4.3 4.3 4.9 2.6 1 5.6 0 6.2-2s-1.3-4.3-4.3-5.2c-2.6-.7-5.5.3-6.2 2.3zm44.2-1.7c-2.9.7-4.9 2.6-4.6 4.9.3 2 2.9 3.3 5.9 2.6 2.9-.7 4.9-2.6 4.6-4.6-.3-1.9-3-3.2-5.9-2.9zM244.8 8C106.1 8 0 113.3 0 252c0 110.9 69.8 205.8 169.5 239.2 12.8 2.3 17.3-5.6 17.3-12.1 0-6.2-.3-40.4-.3-61.4 0 0-70 15-84.7-29.8 0 0-11.4-29.1-27.8-36.6 0 0-22.9-15.7 1.6-15.4 0 0 24.9 2 38.6 25.8 21.9 38.6 58.6 27.5 72.9 20.9 2.3-16 8.8-27.1 16-33.7-55.9-6.2-112.3-14.3-112.3-110.5 0-27.5 7.6-41.3 23.6-58.9-2.6-6.5-11.1-33.3 2.6-67.9 20.9-6.5 69 27 69 27 20-5.6 41.5-8.5 62.8-8.5s42.8 2.9 62.8 8.5c0 0 48.1-33.6 69-27 13.7 34.7 5.2 61.4 2.6 67.9 16 17.7 25.8 31.5 25.8 58.9 0 96.5-58.9 104.2-114.8 110.5 9.2 7.9 17 22.9 17 46.4 0 33.7-.3 75.4-.3 83.6 0 6.5 4.6 14.4 17.3 12.1C428.2 457.8 496 362.9 496 252 496 113.3 383.5 8 244.8 8zM97.2 352.9c-1.3 1-1 3.3.7 5.2 1.6 1.6 3.9 2.3 5.2 1 1.3-1 1-3.3-.7-5.2-1.6-1.6-3.9-2.3-5.2-1zm-10.8-8.1c-.7 1.3.3 2.9 2.3 3.9 1.6 1 3.6.7 4.3-.7.7-1.3-.3-2.9-2.3-3.9-2-.6-3.6-.3-4.3.7zm32.4 35.6c-1.6 1.3-1 4.3 1.3 6.2 2.3 2.3 5.2 2.6 6.5 1 1.3-1.3.7-4.3-1.3-6.2-2.2-2.3-5.2-2.6-6.5-1zm-11.4-14.7c-1.6 1-1.6 3.6 0 5.9 1.6 2.3 4.3 3.3 5.6 2.3 1.6-1.3 1.6-3.9 0-6.2-1.4-2.3-4-3.3-5.6-2z"/></svg></span>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course/edit/main/src/advance/smart-pointer/cell-refcell.md" title="Suggest an edit" aria-label="Suggest an edit" rel="edit">
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<span class=fa-svg id="git-edit-button"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M421.7 220.3l-11.3 11.3-22.6 22.6-205 205c-6.6 6.6-14.8 11.5-23.8 14.1L30.8 511c-8.4 2.5-17.5 .2-23.7-6.1S-1.5 489.7 1 481.2L38.7 353.1c2.6-9 7.5-17.2 14.1-23.8l205-205 22.6-22.6 11.3-11.3 33.9 33.9 62.1 62.1 33.9 33.9zM96 353.9l-9.3 9.3c-.9 .9-1.6 2.1-2 3.4l-25.3 86 86-25.3c1.3-.4 2.5-1.1 3.4-2l9.3-9.3H112c-8.8 0-16-7.2-16-16V353.9zM453.3 19.3l39.4 39.4c25 25 25 65.5 0 90.5l-14.5 14.5-22.6 22.6-11.3 11.3-33.9-33.9-62.1-62.1L314.3 67.7l11.3-11.3 22.6-22.6 14.5-14.5c25-25 65.5-25 90.5 0z"/></svg></span>
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</a>
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</div>
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</div>
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<div id="mdbook-search-wrapper" class="hidden">
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<form id="mdbook-searchbar-outer" class="searchbar-outer">
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<div class="search-wrapper">
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<input type="search" id="mdbook-searchbar" name="searchbar" placeholder="Search this book ..." aria-controls="mdbook-searchresults-outer" aria-describedby="searchresults-header">
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<div class="spinner-wrapper">
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<span class=fa-svg id="fa-spin"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M304 48c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zm0 416c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zM48 304c26.5 0 48-21.5 48-48s-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48zm464-48c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zM142.9 437c18.7-18.7 18.7-49.1 0-67.9s-49.1-18.7-67.9 0s-18.7 49.1 0 67.9s49.1 18.7 67.9 0zm0-294.2c18.7-18.7 18.7-49.1 0-67.9S93.7 56.2 75 75s-18.7 49.1 0 67.9s49.1 18.7 67.9 0zM369.1 437c18.7 18.7 49.1 18.7 67.9 0s18.7-49.1 0-67.9s-49.1-18.7-67.9 0s-18.7 49.1 0 67.9z"/></svg></span>
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<div id="mdbook-searchresults-header" class="searchresults-header"></div>
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</ul>
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</div>
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</div>
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<!-- Apply ARIA attributes after the sidebar and the sidebar toggle button are added to the DOM -->
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<script>
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document.getElementById('mdbook-sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
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document.getElementById('mdbook-sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
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Array.from(document.querySelectorAll('#mdbook-sidebar a')).forEach(function(link) {
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link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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});
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</script>
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<div id="mdbook-content" class="content">
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<main>
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<h1 id="cell-和-refcell"><a class="header" href="#cell-和-refcell">Cell 和 RefCell</a></h1>
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<p>Rust 的编译器之严格，可以说是举世无双。特别是在所有权方面，Rust 通过严格的规则来保证所有权和借用的正确性，最终为程序的安全保驾护航。</p>
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<p>但是严格是一把双刃剑，带来安全提升的同时，损失了灵活性，有时甚至会让用户痛苦不堪、怨声载道。因此 Rust 提供了 <code>Cell</code> 和 <code>RefCell</code> 用于内部可变性，简而言之，可以在拥有不可变引用的同时修改目标数据，对于正常的代码实现来说，这个是不可能做到的（要么一个可变借用，要么多个不可变借用）。</p>
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<blockquote>
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<p>内部可变性的实现是因为 Rust 使用了 <code>unsafe</code> 来做到这一点，但是对于使用者来说，这些都是透明的，因为这些不安全代码都被封装到了安全的 API 中</p>
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</blockquote>
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<h2 id="cell"><a class="header" href="#cell">Cell</a></h2>
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<p><code>Cell</code> 和 <code>RefCell</code> 在功能上没有区别，区别在于 <code>Cell<T></code> 适用于 <code>T</code> 实现 <code>Copy</code> 的情况：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">use std::cell::Cell;
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fn main() {
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let c = Cell::new("asdf");
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let one = c.get();
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c.set("qwer");
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let two = c.get();
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println!("{},{}", one, two);
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}</code></pre>
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<p>以上代码展示了 <code>Cell</code> 的基本用法，有几点值得注意：</p>
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<ul>
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<li>“asdf” 是 <code>&str</code> 类型，它实现了 <code>Copy</code> 特征</li>
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<li><code>c.get</code> 用来取值，<code>c.set</code> 用来设置新值</li>
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</ul>
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<p>取到值保存在 <code>one</code> 变量后，还能同时进行修改，这个违背了 Rust 的借用规则，但是由于 <code>Cell</code> 的存在，我们很优雅地做到了这一点，但是如果你尝试在 <code>Cell</code> 中存放<code>String</code>：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span> let c = Cell::new(String::from("asdf"));
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>编译器会立刻报错，因为 <code>String</code> 没有实现 <code>Copy</code> 特征：</p>
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<pre><code class="language-console">| pub struct String {
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| ----------------- doesn't satisfy `String: Copy`
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= note: the following trait bounds were not satisfied:
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`String: Copy`
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</code></pre>
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<h2 id="refcell"><a class="header" href="#refcell">RefCell</a></h2>
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<p>由于 <code>Cell</code> 类型针对的是实现了 <code>Copy</code> 特征的值类型，因此在实际开发中，<code>Cell</code> 使用的并不多，因为我们要解决的往往是可变、不可变引用共存导致的问题，此时就需要借助于 <code>RefCell</code> 来达成目的。</p>
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<p>我们可以将所有权、借用规则与这些智能指针做一个对比：</p>
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<div class="table-wrapper">
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<table>
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<thead>
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<tr><th>Rust 规则</th><th>智能指针带来的额外规则</th></tr>
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</thead>
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<tbody>
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<tr><td>一个数据只有一个所有者</td><td><code>Rc/Arc</code>让一个数据可以拥有多个所有者</td></tr>
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<tr><td>要么多个不可变借用，要么一个可变借用</td><td><code>RefCell</code>实现编译期可变、不可变引用共存</td></tr>
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<tr><td>违背规则导致<strong>编译错误</strong></td><td>违背规则导致<strong>运行时<code>panic</code></strong></td></tr>
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</tbody>
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</table>
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</div>
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<p>可以看出，<code>Rc/Arc</code> 和 <code>RefCell</code> 合在一起，解决了 Rust 中严苛的所有权和借用规则带来的某些场景下难使用的问题。但是它们并不是银弹，例如 <code>RefCell</code> 实际上并没有解决可变引用和引用可以共存的问题，只是将报错从编译期推迟到运行时，从编译器错误变成了 <code>panic</code> 异常：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">use std::cell::RefCell;
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fn main() {
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let s = RefCell::new(String::from("hello, world"));
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let s1 = s.borrow();
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let s2 = s.borrow_mut();
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println!("{},{}", s1, s2);
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}</code></pre>
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<p>上面代码在编译期不会报任何错误，你可以顺利运行程序：</p>
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<pre><code class="language-console">thread 'main' panicked at 'already borrowed: BorrowMutError', src/main.rs:6:16
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note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace
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</code></pre>
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<p>但是依然会因为违背了借用规则导致了运行期 <code>panic</code>，这非常像中国的天网，它也许会被罪犯蒙蔽一时，但是并不会被蒙蔽一世，任何导致安全风险的存在都将不能被容忍，法网恢恢，疏而不漏。</p>
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<h4 id="refcell-为何存在"><a class="header" href="#refcell-为何存在">RefCell 为何存在</a></h4>
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<p>相信肯定有读者有疑问了，这么做有任何意义吗？还不如在编译期报错，至少能提前发现问题，而且性能还更好。</p>
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<p>存在即合理，究其根因，在于 Rust 编译期的<strong>宁可错杀，绝不放过</strong>的原则，当编译器不能确定你的代码是否正确时，就统统会判定为错误，因此难免会导致一些误报。</p>
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<p>而 <code>RefCell</code> 正是<strong>用于你确信代码是正确的，而编译器却发生了误判时</strong>。</p>
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<p>对于大型的复杂程序，也可以选择使用 <code>RefCell</code> 来让事情简化。例如在 Rust 编译器的<a href="https://github.com/rust-lang/rust/blob/620d1ee5346bee10ba7ce129b2e20d6e59f0377d/src/librustc/middle/ty.rs#L803-L987"><code>ctxt结构体</code></a>中有大量的 <code>RefCell</code> 类型的 <code>map</code> 字段，主要的原因是：这些 <code>map</code> 会被分散在各个地方的代码片段所广泛使用或修改。由于这种分散在各处的使用方式，导致了管理可变和不可变成为一件非常复杂的任务（甚至不可能），你很容易就碰到编译器抛出来的各种错误。而且 <code>RefCell</code> 的运行时错误在这种情况下也变得非常可爱：一旦有人做了不正确的使用，代码会 <code>panic</code>，然后告诉我们哪些借用冲突了。</p>
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<p>总之，当你确信编译器误报但不知道该如何解决时，或者你有一个引用类型，需要被四处使用和修改然后导致借用关系难以管理时，都可以优先考虑使用 <code>RefCell</code>。</p>
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<h4 id="refcell-简单总结"><a class="header" href="#refcell-简单总结">RefCell 简单总结</a></h4>
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<ul>
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<li>与 <code>Cell</code> 用于可 <code>Copy</code> 的值不同，<code>RefCell</code> 用于引用</li>
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<li><code>RefCell</code> 只是将借用规则从编译期推迟到程序运行期，并不能帮你绕过这个规则</li>
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<li><code>RefCell</code> 适用于编译期误报或者一个引用被在多处代码使用、修改以至于难于管理借用关系时</li>
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<li>使用 <code>RefCell</code> 时，违背借用规则会导致运行期的 <code>panic</code></li>
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</ul>
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<h2 id="选择-cell-还是-refcell"><a class="header" href="#选择-cell-还是-refcell">选择 <code>Cell</code> 还是 <code>RefCell</code></a></h2>
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<p>根据本文的内容，我们可以大概总结下两者的区别：</p>
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<ul>
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<li><code>Cell</code> 只适用于 <code>Copy</code> 类型，用于提供值，而 <code>RefCell</code> 用于提供引用</li>
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<li><code>Cell</code> 不会 <code>panic</code>，而 <code>RefCell</code> 会</li>
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</ul>
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<h4 id="性能比较"><a class="header" href="#性能比较">性能比较</a></h4>
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<p><code>Cell</code> 没有额外的性能损耗，例如以下两段代码的性能其实是一致的：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span>// code snipet 1
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let x = Cell::new(1);
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let y = &x;
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let z = &x;
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x.set(2);
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y.set(3);
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z.set(4);
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println!("{}", x.get());
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// code snipet 2
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let mut x = 1;
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let y = &mut x;
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let z = &mut x;
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x = 2;
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*y = 3;
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*z = 4;
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println!("{}", x);
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>虽然性能一致，但代码 <code>1</code> 拥有代码 <code>2</code> 不具有的优势：它能编译成功:)</p>
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<p>与 <code>Cell</code> 的 <code>zero cost</code> 不同，<code>RefCell</code> 其实是有一点运行期开销的，原因是它包含了一个字节大小的“借用状态”指示器，该指示器在每次运行时借用时都会被修改，进而产生一点开销。</p>
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<p>总之，当非要使用内部可变性时，首选 <code>Cell</code>，只有你的类型没有实现 <code>Copy</code> 时，才去选择 <code>RefCell</code>。</p>
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<h2 id="内部可变性"><a class="header" href="#内部可变性">内部可变性</a></h2>
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<p>之前我们提到 <code>RefCell</code> 具有内部可变性，何为内部可变性？简单来说，对一个不可变的值进行可变借用，但这个并不符合 Rust 的基本借用规则：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">fn main() {
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let x = 5;
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let y = &mut x;
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}</code></pre>
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<p>上面的代码会报错，因为我们不能对一个不可变的值进行可变借用，这会破坏 Rust 的安全性保证，相反，你可以对一个可变值进行不可变借用。原因是：当值不可变时，可能会有多个不可变的引用指向它，此时若将其中一个修改为可变的，会造成可变引用与不可变引用共存的情况；而当值可变时，最多只会有一个可变引用指向它，将其修改为不可变，那么最终依然是只有一个不可变的引用指向它。</p>
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<p>虽然基本借用规则是 Rust 的基石，然而在某些场景中，一个值可以在其方法内部被修改，同时对于其它代码不可变，是很有用的：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
|
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</span><span class="boring">fn main() {
|
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|
</span>// 定义在外部库中的特征
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pub trait Messenger {
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fn send(&self, msg: String);
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}
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// --------------------------
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// 我们的代码中的数据结构和实现
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struct MsgQueue {
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msg_cache: Vec<String>,
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|
}
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impl Messenger for MsgQueue {
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|
fn send(&self, msg: String) {
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self.msg_cache.push(msg)
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}
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|
}
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|
<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>如上所示，外部库中定义了一个消息发送器特征 <code>Messenger</code>，它只有一个发送消息的功能：<code>fn send(&self, msg: String)</code>，因为发送消息不需要修改自身，因此原作者在定义时，使用了 <code>&self</code> 的不可变借用，这个无可厚非。</p>
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<p>我们要在自己的代码中使用该特征实现一个异步消息队列，出于性能的考虑，消息先写到本地缓存(内存)中，然后批量发送出去，因此在 <code>send</code> 方法中，需要将消息先行插入到本地缓存 <code>msg_cache</code> 中。但是问题来了，该 <code>send</code> 方法的签名是 <code>&self</code>，因此上述代码会报错：</p>
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<pre><code class="language-console">error[E0596]: cannot borrow `self.msg_cache` as mutable, as it is behind a `&` reference
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--> src/main.rs:11:9
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2 | fn send(&self, msg: String);
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| ----- help: consider changing that to be a mutable reference: `&mut self`
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...
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11 | self.msg_cache.push(msg)
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|
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ `self` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
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|
</code></pre>
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<p>在报错的同时，编译器大聪明还善意地给出了提示：将 <code>&self</code> 修改为 <code>&mut self</code>，但是。。。我们实现的特征是定义在外部库中，因此该签名根本不能修改。值此危急关头， <code>RefCell</code> 闪亮登场：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">use std::cell::RefCell;
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pub trait Messenger {
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|
fn send(&self, msg: String);
|
|
|
}
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pub struct MsgQueue {
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|
msg_cache: RefCell<Vec<String>>,
|
|
|
}
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|
impl Messenger for MsgQueue {
|
|
|
fn send(&self, msg: String) {
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|
self.msg_cache.borrow_mut().push(msg)
|
|
|
}
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|
|
}
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fn main() {
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let mq = MsgQueue {
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|
msg_cache: RefCell::new(Vec::new()),
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|
};
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|
mq.send("hello, world".to_string());
|
|
|
}</code></pre>
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<p>这个 MQ 功能很弱，但是并不妨碍我们演示内部可变性的核心用法：通过包裹一层 <code>RefCell</code>，成功的让 <code>&self</code> 中的 <code>msg_cache</code> 成为一个可变值，然后实现对其的修改。</p>
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<h2 id="rc--refcell-组合使用"><a class="header" href="#rc--refcell-组合使用">Rc + RefCell 组合使用</a></h2>
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<p>在 Rust 中，一个常见的组合就是 <code>Rc</code> 和 <code>RefCell</code> 在一起使用，前者可以实现一个数据拥有多个所有者，后者可以实现数据的可变性：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">use std::cell::RefCell;
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use std::rc::Rc;
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fn main() {
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let s = Rc::new(RefCell::new("我很善变，还拥有多个主人".to_string()));
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let s1 = s.clone();
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let s2 = s.clone();
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// let mut s2 = s.borrow_mut();
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s2.borrow_mut().push_str(", oh yeah!");
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println!("{:?}\n{:?}\n{:?}", s, s1, s2);
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|
}
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</code></pre>
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<p>上面代码中，我们使用 <code>RefCell<String></code> 包裹一个字符串，同时通过 <code>Rc</code> 创建了它的三个所有者：<code>s</code>、<code>s1</code>和<code>s2</code>，并且通过其中一个所有者 <code>s2</code> 对字符串内容进行了修改。</p>
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<p>由于 <code>Rc</code> 的所有者们共享同一个底层的数据，因此当一个所有者修改了数据时，会导致全部所有者持有的数据都发生了变化。</p>
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<p>程序的运行结果也在预料之中：</p>
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<pre><code class="language-console">RefCell { value: "我很善变，还拥有多个主人, oh yeah!" }
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|
RefCell { value: "我很善变，还拥有多个主人, oh yeah!" }
|
|
|
RefCell { value: "我很善变，还拥有多个主人, oh yeah!" }
|
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|
</code></pre>
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|
<h4 id="性能损耗"><a class="header" href="#性能损耗">性能损耗</a></h4>
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<p>相信这两者组合在一起使用时，很多人会好奇到底性能如何，下面我们来简单分析下。</p>
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<p>首先给出一个大概的结论，这两者结合在一起使用的性能其实非常高，大致相当于没有线程安全版本的 C++ <code>std::shared_ptr</code> 指针，事实上，C++ 这个指针的主要开销也在于原子性这个并发原语上，毕竟线程安全在哪个语言中开销都不小。</p>
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<h4 id="内存损耗"><a class="header" href="#内存损耗">内存损耗</a></h4>
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<p>两者结合的数据结构与下面类似：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span>struct Wrapper<T> {
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// Rc
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strong_count: usize,
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weak_count: usize,
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// Refcell
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borrow_count: isize,
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// 包裹的数据
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item: T,
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>从上面可以看出，从对内存的影响来看，仅仅多分配了三个<code>usize/isize</code>，并没有其它额外的负担。</p>
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<h4 id="cpu-损耗"><a class="header" href="#cpu-损耗">CPU 损耗</a></h4>
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<p>从 CPU 来看，损耗如下：</p>
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<ul>
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<li>对 <code>Rc<T></code> 解引用是免费的（编译期），但是 <code>*</code> 带来的间接取值并不免费</li>
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<li>克隆 <code>Rc<T></code> 需要将当前的引用计数跟 <code>0</code> 和 <code>usize::Max</code> 进行一次比较，然后将计数值加 1</li>
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<li>释放（drop） <code>Rc<T></code> 需要将计数值减 1， 然后跟 <code>0</code> 进行一次比较</li>
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<li>对 <code>RefCell</code> 进行不可变借用，需要将 <code>isize</code> 类型的借用计数加 1，然后跟 <code>0</code> 进行比较</li>
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<li>对 <code>RefCell </code>的不可变借用进行释放，需要将 <code>isize</code> 减 1</li>
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<li>对 <code>RefCell</code> 的可变借用大致流程跟上面差不多，但是需要先跟 <code>0</code> 比较，然后再减 1</li>
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<li>对 <code>RefCell</code> 的可变借用进行释放，需要将 <code>isize</code> 加 1</li>
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</ul>
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<p>其实这些细节不必过于关注，只要知道 CPU 消耗也非常低，甚至编译器还会对此进行进一步优化！</p>
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<h4 id="cpu-缓存-miss"><a class="header" href="#cpu-缓存-miss">CPU 缓存 Miss</a></h4>
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<p>唯一需要担心的可能就是这种组合数据结构对于 CPU 缓存是否亲和，这个我们无法证明，只能提出来存在这个可能性，最终的性能影响还需要在实际场景中进行测试。</p>
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<p>总之，分析这两者组合的性能还挺复杂的，大概总结下：</p>
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<ul>
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<li>从表面来看，它们带来的内存和 CPU 损耗都不大</li>
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<li>但是由于 <code>Rc</code> 额外的引入了一次间接取值（<code>*</code>），在少数场景下可能会造成性能上的显著损失</li>
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<li>CPU 缓存可能也不够亲和</li>
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</ul>
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<h2 id="通过-cellfrom_mut-解决借用冲突"><a class="header" href="#通过-cellfrom_mut-解决借用冲突">通过 <code>Cell::from_mut</code> 解决借用冲突</a></h2>
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<p>在 Rust 1.37 版本中新增了两个非常实用的方法：</p>
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<ul>
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<li>Cell::from_mut，该方法将 <code>&mut T</code> 转为 <code>&Cell<T></code></li>
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<li>Cell::as_slice_of_cells，该方法将 <code>&Cell<[T]></code> 转为 <code>&[Cell<T>]</code></li>
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|
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</ul>
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<p>这里我们不做深入的介绍，但是来看看如何使用这两个方法来解决一个常见的借用冲突问题：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
|
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|
</span><span class="boring">fn main() {
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|
</span>fn is_even(i: i32) -> bool {
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i % 2 == 0
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}
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fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
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let mut i = 0;
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for num in nums.iter().filter(|&num| is_even(*num)) {
|
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nums[i] = *num;
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i += 1;
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}
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nums.truncate(i);
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>以上代码会报错：</p>
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<pre><code class="language-console">error[E0502]: cannot borrow `*nums` as mutable because it is also borrowed as immutable
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--> src/main.rs:8:9
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|
7 | for num in nums.iter().filter(|&num| is_even(*num)) {
|
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| ----------------------------------------
|
|
|
| |
|
|
|
| immutable borrow occurs here
|
|
|
| immutable borrow later used here
|
|
|
8 | nums[i] = *num;
|
|
|
| ^^^^ mutable borrow occurs here
|
|
|
</code></pre>
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<p>很明显，报错是因为同时借用了不可变与可变引用，你可以通过索引的方式来避免这个问题：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
|
|
|
</span><span class="boring">fn main() {
|
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</span>fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
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let mut i = 0;
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for j in 0..nums.len() {
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if is_even(nums[j]) {
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nums[i] = nums[j];
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i += 1;
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}
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}
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nums.truncate(i);
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>但是这样就违背我们的初衷了，毕竟迭代器会让代码更加简洁，那么还有其它的办法吗？</p>
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<p>这时就可以使用 <code>Cell</code> 新增的这两个方法：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span>use std::cell::Cell;
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fn retain_even(nums: &mut Vec<i32>) {
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let slice: &[Cell<i32>] = Cell::from_mut(&mut nums[..])
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.as_slice_of_cells();
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let mut i = 0;
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for num in slice.iter().filter(|num| is_even(num.get())) {
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slice[i].set(num.get());
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i += 1;
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}
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nums.truncate(i);
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>此时代码将不会报错，因为 <code>Cell</code> 上的 <code>set</code> 方法获取的是不可变引用 <code>pub fn set(&self, val: T)</code>。</p>
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<p>当然，以上代码的本质还是对 <code>Cell</code> 的运用，只不过这两个方法可以很方便的帮我们把 <code>&mut [T]</code> 类型转换成 <code>&[Cell<T>]</code> 类型。</p>
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<h2 id="总结"><a class="header" href="#总结">总结</a></h2>
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<p><code>Cell</code> 和 <code>RefCell</code> 都为我们带来了内部可变性这个重要特性，同时还将借用规则的检查从编译期推迟到运行期，但是这个检查并不能被绕过，该来早晚还是会来，<code>RefCell</code> 在运行期的报错会造成 <code>panic</code>。</p>
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<p><code>RefCell</code> 适用于编译器误报或者一个引用被在多个代码中使用、修改以至于难于管理借用关系时，还有就是需要内部可变性时。</p>
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<p>从性能上看，<code>RefCell</code> 由于是非线程安全的，因此无需保证原子性，性能虽然有一点损耗，但是依然非常好，而 <code>Cell</code> 则完全不存在任何额外的性能损耗。</p>
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<p><code>Rc</code> 跟 <code>RefCell</code> 结合使用可以实现多个所有者共享同一份数据，非常好用，但是潜在的性能损耗也要考虑进去，建议对于热点代码使用时，做好 <code>benchmark</code>。</p>
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</main>
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</a>
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</a>
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