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# 智能指针引起的重复借用错误
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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： 当智能指针和结构体一起使用时导致的借用错误: ` cannot borrow `mut_s` as mutable because it is also borrowed as immutable`.
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相信看过[<<对抗Rust编译检查系列>>](https://www.zhihu.com/column/c_1461712984854335488)的读者都知道结构体中的不同字段可以独立借用吧？
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## 结构体中的字段借用
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不知道也没关系，我们这里再简单回顾一下:
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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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这段代码看上去像是重复借用了`&mut self`,违反了Rust的借用规则，实际上在聪明的Rust编译器面前，这都不是事。它能发现我们其实借用了目标结构体的不同字段，因此完全可以将其借用权分离开来。
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因此，虽然我们不能同时对整个结构体进行多次可变借用，但是我们可以分别对结构体中的不同字段进行可变借用，当然，一个字段至多也只能存在一个可变借用，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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## RefCell
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如果你还不知道RefCell，可以看看[这篇文章](https://zhuanlan.zhihu.com/p/453727091)，当然不看也行，简而言之，RefCell能够实现：
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- 将借用规则从编译期推迟到运行期，但是并不会饶过借用规则，当不符合时，程序直接`panic`
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- 实现内部可变性：简单来说，对一个不可变的值进行可变借用，然后修改内部的值
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## 被RefCell包裹的结构体
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既然了解了结构体的借用规则和`RefCell`, 我们来看一段结合了两者的代码：
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```rust
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use std::cell::RefCell;
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use std::io::Write;
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struct Data {
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string: String,
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}
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struct S {
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data: Data,
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writer: Vec<u8>,
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}
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fn write(s: RefCell<S>) {
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let mut mut_s = s.borrow_mut();
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let str = &mut_s.data.string;
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mut_s.writer.write(str.as_bytes());
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}
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```
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以上代码从`s`中可变借用出结构体`S`，随后又对结构体中的两个字段进行了分别借用，按照之前的规则这段代码应该顺利通过编译：
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```console
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error[E0502]: cannot borrow `mut_s` as mutable because it is also borrowed as immutable
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--> src/main.rs:16:5
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15 | let str = &mut_s.data.string;
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| ----- immutable borrow occurs here
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16 | mut_s.writer.write(str.as_bytes());
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| ^^^^^ --- immutable borrow later used here
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| mutable borrow occurs here
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```
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只能说，还好它报错了，否则本篇文章已经可以结束。。。错误很简单，首先对结构体`S`的`data`字段进行了不可变借用，其次又对`writer`字段进行了可变借用，这个符合之前的规则：对结构体不同字段分开借用，为何报错了？
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## 深入分析
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第一感觉，问题是出在`borrow_mut`方法返回的类型上，先来看看:
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```rust
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pub fn borrow_mut(&self) -> RefMut<'_, T>
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```
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可以看出，该方法并没有直接返回我们的结构体，而是一个`RefMut`类型，而要使用该类型，需要经过编译器为我们做一次隐式的`Deref`转换，编译器展开后的代码大概如下:
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```rust
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use std::cell::RefMut;
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use std::ops::{Deref, DerefMut};
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fn write(s: RefCell<S>) {
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let mut mut_s: RefMut<S> = s.borrow_mut();
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let str = &Deref::deref(&mut_s).data.string;
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DerefMut::deref_mut(&mut mut_s).writer.write(str.as_bytes());
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}
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```
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可以看出，对结构体字段的调用，实际上经过一层函数，一层函数！？我相信你应该想起了什么，是的，在[上一篇文章](https://zhuanlan.zhihu.com/p/451920390/edit)中讲过类似的问题， 大意就是**编译器对于函数往往只会分析签名，并不关心内部到底如何使用结构体**。
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而上面的`&Deref::deref(&mut_s)`和`DerefMut::deref_mut(&mut mut_s)`函数，签名全部使用的是结构体，并不是结构体中的某一个字段，因此对于编译器来说，该结构体明显是被重复借用了！
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## 解决方法
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因此要解决这个问题，我们得把之前的展开形式中的`Deref::deref`消除掉，这样没有了函数签名，编译器也将不再懒政。
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既然两次`Deref::deref`调用都是对智能指针的自动`Deref`，那么可以提前手动的把它`Deref`了，只做一次！
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```rust
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fn write(s: RefCell<S>) {
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let mut mut_s = s.borrow_mut();
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let mut tmp = &mut *mut_s; // Here
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let str = &tmp.data.string;
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tmp.writer.write(str.as_bytes());
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}
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```
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以上代码通过`*`对`mut_s`进行了解引用，获得结构体，然后又对结构体进行了可变借用`&mut`，最终赋予`tmp`变量，那么该变量就持有了我们的结构体的可变引用，而不再是持有一个智能指针。
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此后对`tmp`的使用就回归到文章开头的那段代码：分别借用结构体的不同字段，成功通过编译！
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#### 展开代码
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我们再来模拟编译器对正确的代码进行一次展开:
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```rust
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use std::cell::RefMut;
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use std::ops::DerefMut;
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fn write(s: RefCell<S>) {
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let mut mut_s: RefMut<S> = s.borrow_mut();
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let tmp: &mut S = DerefMut::deref_mut(&mut mut_s);
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let str = &tmp.data.string;
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tmp.writer.write(str.as_bytes());
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}
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```
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可以看出，此时对结构体的使用不再有`DerefMut::deref`的身影，我们成功消除了函数边界对编译器的影响！
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## 不仅仅是RefCell
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事实上，除了RefCell外，还有不少会导致这种问题的智能指针，当然原理都是互通的，我们这里就不再进行一一深入讲解，只简单列举下：
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- `Box`
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- `MutexGuard`(来源于Mutex)
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- `PeekMut`(来源于BinaryHeap)
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- `RwLockWriteGuard`(来源于RwLock)
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- `String`
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- `Vec`
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- `Pin`
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## 一个练习
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下面再来一个练习巩固一下，强烈建议大家按照文章的思路进行分析和解决：
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```rust
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use std::rc::Rc;
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use std::cell::RefCell;
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pub struct Foo {
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pub foo1: Vec<bool>,
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pub foo2: Vec<i32>,
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}
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fn main() {
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let foo_cell = Rc::new(RefCell::new(Foo {
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foo1: vec![true, false],
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foo2: vec![1, 2]
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}));
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let borrow = foo_cell.borrow_mut();
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let foo1 = &borrow.foo1;
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// 下面代码会报错,因为`foo1`和`foo2`发生了重复借用
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borrow.foo2.iter_mut().enumerate().for_each(|(idx, foo2)| {
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if foo1[idx] {
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*foo2 *= -1;
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}
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});
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}
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```
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## 总结
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当结构体的引用穿越函数边界时，我们要格外小心，因为编译器只会对函数签名进行检查，并不关心内部到底用了结构体的哪个字段，当签名都使用了结构体时，会立即报错。
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而智能指针由于隐式解引用`Deref`的存在，导致了两次`Deref`时都让结构体穿越了函数边界`Deref::deref`，结果造成了重复借用的错误。
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解决办法就是提前对智能指针进行手动解引用，然后对内部的值进行借用后，再行使用。 |
