Rust 核心概念解析：引用、借用与内部可变性

管理内存安全，特别是防止数据竞争和悬垂指针，是系统编程中的一个核心挑战。Rust 语言通过其所有权和借用检查系统，在编译阶段就为解决这些问题提供了强有力的保障。

本文聚焦于该系统的关键部分：引用。我们将详细解析共享引用 (&T) 与可变引用 (&mut T) 的工作原理与编译时规则，并进一步探讨“内部可变性”这一高级模式，它为特定场景提供了必要的灵活性。

引用及内部可变性

引用

• 通过引用，Rust 允许将值借用出去，但不放弃所有权
• 引用就是带有附加合约的指针

共享引用

• &T，就是可以共享的指针：
  • 可同时存在任意数量的引用指向同一个值
  • 每个共享的引用都实现了 Copy
• 背后的值不可变
  • 编译器允许假定共享引用指向的值，在该引用存活期间是不会改变的
  • 例如：一个共享引用的值在某函数内被多次读取，那编译器就有权让其只读取一次，然后重用读取的值。

可变引用

• &mut T
• 可变引用是独占的
  • 编译器假定没有其它线程访问目标值（无论是通过共享引用还是可变引用）

fn main() {
  println!("Hello, world!");
}

fn noalias(input: &i32, output: &mut i32) {
  if *input == 1 {
    *output = 2;
  }
  if  *input !=1 {
    *output = 3;
  }
}

• 可变引用只允许你修改引用所指向的内存地址

fn main() {
  let x = 42;
  let mut y = &x; // y is of type &i32
  let z = &mut y; // z is of type &mut &i32
}

拥有值 VS 拥有到值的可变引用

• 所有者需要对删除值（丢弃值）负责
• 警告：如果你移动了可变引用背后的值，则必须在其位置上留下另一个值。如果不这样做，所有者会认为他需要将其删除（丢弃），但其实却没有值可以删除了。

fn main() {
  let mut s = Box::new(42);
  replace_with_84(&mut s);
}

fn replace_with_84(s: &mut Box<i32>) {
  // this is not okay, as *s would be empty;
  // let was = *s;
  // but this is:
  let was = std::mem::take(s);
  // so is this:
  *s = was;
  // we can exchange values behind &mut:
  let mut r = Box::new(84);
  std::mem::swap(s, &mut r);
  assert_ne!(*r, 84);
}

内部可变性

• 一些类型提供了内部可变性：
  • 可通过共享引用修改值
• 这些类型通常依赖于额外的机制（如原子 CPU 指令）或不变量来提供安全的可变性，而不依赖于独占引用的语义
• 分为两类：
  • 通过共享引用获得可变引用
  • 通过共享引用可以替换值
• 通过共享引用获得可变引用：Mutex、RefCell
  • 提供保障机制：针对任何提供了可变引用指向的值，同时只会存在一个可变引用（没有共享引用）
  • 依赖于 UnsafeCell 类型，通过共享引用修改值的唯一正确方式
• 通过共享引用可以替换值：std::sync::atomic、std::cell::Cell
  • 没有提供可变引用到内部值
  • 提供就地操作值的方法
  • 例：无法获得到 usize 或 i32 的直接引用，但是可以读取和替换值

Cell 类型

• 标准库
• 通过不变量实现的内部可变性
  • 无法跨线程共享（内部值不会被并发的修改，即使通过共享引用发生修改）
  • 不会提供到 Cell 内部的值的引用（所以可以一直移动它）
• 提供的方法：
  • 对值整体替换
  • 返回值的副本

总结

本文的核心在于 Rust 的引用系统，其安全性建立在两条基本原则之上：数据可以在多个共享引用 (&T) 之间只读共享，或者通过一个独占的可变引用 (&mut T) 进行修改。编译器的借用检查器严格实施这些规则，从而有效防止了数据竞争。

然而，为了在不牺牲安全的前提下提高灵活性，Rust 引入了“内部可变性”作为补充机制。像 Cell 等类型，将借用规则的检查从编译时推迟到运行时，允许在共享引用的访问范围内安全地修改数据。

因此，Rust 的内存安全模型是编译时静态检查和运行时动态检查的结合。理解这两种机制如何协同工作，是编写出高效且健壮的 Rust 代码的重要基础。

参考

• https://www.rust-lang.org/zh-CN
• https://crates.io/
• https://course.rs/about-book.html
• https://users.rust-lang.org/
• https://lab.cs.tsinghua.edu.cn/rust/