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结构体自引用
结构体自引用在Rust中是一个众所周知的难题，而且众说纷纭，也没有一篇文章能把相关的话题讲透，那本文就王婆卖瓜，来试试看能不能讲透这一块儿内容，让读者大大们舒心。
平平无奇的自引用
可能也有不少人第一次听说自引用结构体，那咱们先来看看它们长啥样。
struct RefWithinMe<'a> {
value: String,
// 该引用指向上面的value
pointer_to_value: &'a str,
}
以上就是一个很简单的自引用结构体,看上去好像没什么，那来试着运行下：
fn main(){
let s = "aaa".to_string();
let v = SelfRef {
value: s,
pointer_to_value: &s
};
}
运行后报错:
let v = SelfRef {
12 | value: s,
| - value moved here
13 | pointer_to_value: &s
| ^^ value borrowed here after move
因为我们试图同时使用值和值的引用，最终所有权转移和借用一起发生了。所以，这个问题貌似并没有那么好解决，不信你可以回想下自己具有的知识，是否可以解决？
使用Option
最简单的方式就是使用Opiton分两步来实现:
#[derive(Debug)]
struct WhatAboutThis<'a> {
name: String,
nickname: Option<&'a str>,
}
fn main() {
let mut tricky = WhatAboutThis {
name: "Annabelle".to_string(),
nickname: None,
};
tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
println!("{:?}", tricky);
}
在某种程度上来说，Option这个方法可以工作，但是这个方法的限制较多，例如从一个函数创建并返回它是不可能的:
fn creator<'a>() -> WhatAboutThis<'a> {
let mut tricky = WhatAboutThis {
name: "Annabelle".to_string(),
nickname: None,
};
tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
tricky
}
报错如下:
error[E0515]: cannot return value referencing local data `tricky.name`
--> src/main.rs:24:5
|
22 | tricky.nickname = Some(&tricky.name[..4]);
| ----------- `tricky.name` is borrowed here
23 |
24 | tricky
| ^^^^^^ returns a value referencing data owned by the current function
其实从函数签名就能看出来端倪，'a生命周期是凭空产生的！
如果是通过方法使用，你需要一个无用&'a self生命周期标识，一旦有了这个标识，代码将变得更加受限，你将很容易就获得借用错误，就连NLL规则都没用：
#[derive(Debug)]
struct WhatAboutThis<'a> {
name: String,
nickname: Option<&'a str>,
}
impl<'a> WhatAboutThis<'a> {
fn tie_the_knot(&'a mut self) {
self.nickname = Some(&self.name[..4]);
}
}
fn main() {
let mut tricky = WhatAboutThis {
name: "Annabelle".to_string(),
nickname: None,
};
tricky.tie_the_knot();
// cannot borrow `tricky` as immutable because it is also borrowed as mutable
// println!("{:?}", tricky);
}
unsafe实现
既然借用规则妨碍了我们，那就一脚踢开:
#[derive(Debug)]
struct SelfRef {
value: String,
pointer_to_value: *const String,
}
impl SelfRef {
fn new(txt: &str) -> Self {
SelfRef {
value: String::from(txt),
pointer_to_value: std::ptr::null(),
}
}
fn init(&mut self) {
let self_ref: *const String = &self.value;
self.pointer_to_value = self_ref;
}
fn value(&self) -> &str {
&self.value
}
fn pointer_to_value(&self) -> &String {
assert!(!self.pointer_to_value.is_null(), "Test::b called without Test::init being called first");
unsafe { &*(self.pointer_to_value) }
}
}
fn main() {
let mut t = SelfRef::new("hello");
t.init();
// 打印值和指针地址
println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
}
在这里，我们在pointer_to_value中直接存储原生指针，而不是Rust的引用，因此不再受到Rust借用规则和生命周期的限制，而且实现起来非常清晰、简洁。但是缺点就是，通过指针获取值时需要使用unsafe代码,
当然，上面的代码你还能通过原生指针来修改String，但是需要将*const修改为*mut:
#[derive(Debug)]
struct SelfRef {
value: String,
pointer_to_value: *mut String,
}
impl SelfRef {
fn new(txt: &str) -> Self {
SelfRef {
value: String::from(txt),
pointer_to_value: std::ptr::null_mut(),
}
}
fn init(&mut self) {
let self_ref: *mut String = &mut self.value;
self.pointer_to_value = self_ref;
}
fn value(&self) -> &str {
&self.value
}
fn pointer_to_value(&self) -> &String {
assert!(!self.pointer_to_value.is_null(), "Test::b called without Test::init being called first");
unsafe { &*(self.pointer_to_value) }
}
}
fn main() {
let mut t = SelfRef::new("hello");
t.init();
println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
t.value.push_str(", world");
unsafe {
(&mut *t.pointer_to_value).push_str("!");
}
println!("{}, {:p}",t.value(), t.pointer_to_value());
}
运行后输出:
hello, 0x16f3aec70
hello, world!, 0x16f3aec70
上面的unsafe虽然简单好用，但是它不太安全，是否还有其他选择？还真的有，那就是Pin。
无法被移动的Pin
Pin在后续章节会深入讲解，目前你只需要知道它可以固定住一个值，防止该值在内存中被移动。
通过开头我们知道，自引用最麻烦的就是创建引用的同时，值的所有权会被转移，而通过Pin就可以很好的防止这一点:
use std::marker::PhantomPinned;
use std::pin::Pin;
use std::ptr::NonNull;
// 下面是一个自引用数据结构体，因为slice字段是一个指针, 指向了data字段
// 我们无法使用普通引用来实现，因为违背了Rust的编译规则
// 因此，这里我们使用了一个原生指针，通过NonNull来确保它不会为null
struct Unmovable {
data: String,
slice: NonNull<String>,
_pin: PhantomPinned,
}
impl Unmovable {
// 为了确保函数返回时数据的所有权不会被转移, 我们将它放在堆上, 唯一的访问方式就是通过指针
fn new(data: String) -> Pin<Box<Self>> {
let res = Unmovable {
data,
// 只有在数据到位时，才创建指针，否则数据会在开始之前就被转移所有权
slice: NonNull::dangling(),
_pin: PhantomPinned,
};
let mut boxed = Box::pin(res);
let slice = NonNull::from(&boxed.data);
// 这里其实安全的，因为修改一个字段不会转移整个结构体的所有权
unsafe {
let mut_ref: Pin<&mut Self> = Pin::as_mut(&mut boxed);
Pin::get_unchecked_mut(mut_ref).slice = slice;
}
boxed
}
}
fn main() {
let unmoved = Unmovable::new("hello".to_string());
// 只要结构体没有被转移，那指针就应该指向正确的位置，而且我们可以随意移动指针
let mut still_unmoved = unmoved;
assert_eq!(still_unmoved.slice, NonNull::from(&still_unmoved.data));
// 因为我们的类型没有实现`Unpin`特征，下面这段代码将无法编译
// let mut new_unmoved = Unmovable::new("world".to_string());
// std::mem::swap(&mut *still_unmoved, &mut *new_unmoved);
}
上面的代码也非常清晰，虽然使用了unsafe，其实更多的是无奈之举，跟之前的unsafe实现完全不可同日而语。
其实Pin在这里并没有魔法，它也并不是实现自引用类型的主要原因，最关键的还是里面的原生指针的使用，而Pin起到的作用就是确保我们的值不会被移走，否则指针就会指向一个错误的地址！
使用ouroboros
对于自引用结构体，三方库也有支持的，其中一个就是ouroboros，当然它也有自己的限制，我们后面会提到，先来看看该如何使用：
use ouroboros::self_referencing;
#[self_referencing]
struct SelfRef {
value: String,
#[borrows(value)]
pointer_to_value: &'this str,
}
fn main(){
let v = SelfRefBuilder {
value: "aaa".to_string(),
pointer_to_value_builder: |value: &String| value,
}.build();
// 借用value值
let s = v.borrow_value();
// 借用指针
let p = v.borrow_pointer_to_value();
// value值和指针指向的值相等
assert_eq!(s, *p);
}
可以看到，ouroboros使用起来并不复杂，就是需要你去按照它的方式创建结构体和引用类型：SelfRef变成SelfRefBuilder，引用字段从pointer_to_value变成pointer_to_value_builder，并且连类型都变了。
在使用时，通过borrow_value来借用value的值，通过borrow_pointer_to_value来借用pointer_to_value这个指针。
看上去很美好对吧？但是你可以尝试着去修改String字符串的值试试，ouroboros限制还是较多的，但是对于基本类型依然是支持的不错，以下例子来源于官方:
use ouroboros::self_referencing;
#[self_referencing]
struct MyStruct {
int_data: i32,
float_data: f32,
#[borrows(int_data)]
int_reference: &'this i32,
#[borrows(mut float_data)]
float_reference: &'this mut f32,
}
fn main() {
let mut my_value = MyStructBuilder {
int_data: 42,
float_data: 3.14,
int_reference_builder: |int_data: &i32| int_data,
float_reference_builder: |float_data: &mut f32| float_data,
}.build();
// Prints 42
println!("{:?}", my_value.borrow_int_data());
// Prints 3.14
println!("{:?}", my_value.borrow_float_reference());
// Sets the value of float_data to 84.0
my_value.with_mut(|fields| {
**fields.float_reference = (**fields.int_reference as f32) * 2.0;
});
// We can hold on to this reference...
let int_ref = *my_value.borrow_int_reference();
println!("{:?}", *int_ref);
// As long as the struct is still alive.
drop(my_value);
// This will cause an error!
// println!("{:?}", *int_ref);
}
总之，使用这个库前，强烈建议看一些官方的例子中支持什么样的类型和API，如果能满足的你的需求，就果断使用它，如果不能满足，就继续往下看。
只能说，它确实帮助我们解决了问题，但是一个是破坏了原有的结构，另外就是并不是所有数据类型都支持：它需要目标值的内存地址不会改变，因此Vec动态数组就不适合，因为当内存空间不够时，Rust会重新分配一块空间来存放该数组，这会导致内存地址的改变。
类似的库还有:
- rental， 这个库其实是最有名的，但是好像不再维护了，用倒是没问题
- owning-ref ，将所有者和它的引用绑定到一个封装类型
这三个库，各有各的特点，也各有各的缺陷，建议大家需要时，一定要仔细调研，并且写demo进行测试，不可大意。
rental虽然不怎么维护，但是可能依然是这三个里面最强大的，而且网上的用例也比较多，容易找到参考代码
Rc+RefCell或Arc+Mutex
类似于循环引用的解决方式，自引用也可以用这种组合来解决，但是会导致代码的类型标识到处都是，大大的影响了可读性。
终极大法
如果两个放在一起会报错，那就分开它们。对，终极大法就这么简单，当然思路上的简单不代表实现上的简单，最终结果就是导致代码复杂度的上升。
学习一本书：如何实现链表
最后，推荐一本专门将如何实现链表的书(真是富有Rust特色，链表都能复杂到出书了O, O)，Learn Rust by writing Entirely Too Many Linked Lists
总结
上面讲了这么多方法，但是我们依然无法正确的告诉你在某个场景应该使用哪个方法，这个需要你自己的判断，因为自引用实在是过于复杂。
我们能做的就是告诉你，有这些办法可以解决自引用问题，而这些办法每个都有自己适用的范围，需要你未来去深入的挖掘和发现。
偷偷说一句，就算是我，遇到自引用一样挺头疼，好在这种情况真的不常见，往往是实现特定的算法和数据结构时才需要，应用代码中几乎用不到。