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本系列文章是Jon Gjengset發布的CRust of Rust系列視頻的學習筆記，CRust of Rust是一系列持續更新的Rust中級教程。

我們將通過手動實現Cell，RefCell來學習智能指針及內部可變性。

新建一個項目：

cargo new --lib pointers

手動實現Cell 在src目錄下新建一個cell.rs文件，然后在lib.rs中加入：

1modcell;

在cell.rs中寫入如下代碼：

 1usestd::UnsafeCell;
 2
 3pubstructCell{
 4value:UnsafeCell,
 5}
 6
 7implCell{
 8pubfnnew(value:T)->Self{
 9Cell{
10value:UnsafeCell::new(value),
11}
12}
13
14pubfnset(&self,value:T){
15unsafe{
16*self.value.get()=value
17};
18}
19
20pubfnget(&self)->TwhereT:Copy{
21unsafe{
22*self.value.get()
23}
24}
25}

實現內部可變性需要一個特殊的cell類型，叫作UnsafeCell，它是Rust的核心原語。顧名思義它是不安全的，它持有類型，通過它可以獲得類型的原生獨占指針。我們使用UnsafeCell類型可以通過共享引用轉變成獨占引用來改變數據。

在set和get方法中需要獲取類型的原生的指針，因此需要使用unsafe塊。由于UnsafeCell實現了!Sync trait，表示不能安全的跨線程共享引用。

測試代碼如下：

 1#[cfg(test)]
 2modtest{
 3usesuper::Cell;
 4
 5#[test]
 6fncell_test(){
 7letmutx=Cell::new(42);
 8leti=x.get();
 9x.set(43);
10
11assert_eq!(i,42);
12}
13}

執行cargo test，測試通過。手動實現RefCell

RefCell的文檔描述是：可以改變內存位置，可以動態檢查借用規則。也就是說可以在運行期檢查借用規則。

在src目錄下新建一個refcell.rs文件，然后在lib.rs中加入：

1modrefcell;

在refcell.rs中寫入如下代碼：

 1usestd::UnsafeCell;
 2usecrate::Cell;
 3
 4#[derive(Clone,Copy)]
 5enumRefState{
 6Unshared,
 7Shared(usize),
 8Exclusive,
 9}
10
11pubstructRefCell{
12value:UnsafeCell,
13state:Cell,
14}
15
16implRefCell{
17pubfnnew(value:T)->Self{
18Self{
19value:UnsafeCell::new(value),
20state:Cell::new(RefState::Unshared),
21}
22}
23
24pubfnborrow(&self)->Option<&T>{
25None
26}
27
28pubfnborrow_mut(&self)->Option<&mut?T>{
29None
30}
31}

這是RefCell 最基本的API。borrow和borrow_mut方法的返回值使用Option，是因為如果通過borrow_mut獲取可變引用，則通過borrow獲取的共享引用返回None，反之亦然。

RecCell的引用狀態有三種，分別是非共享狀態(Unshared)、共享狀態(Shared)、獨占狀態，使用enum來表示。其中共享狀態包含了一個引用計數器，類型為usize。

引用狀態我們使用了上面剛完成的Cell進行包裝，是因為需要使用內部可變性來改變狀態。

下面來完成borrow和borrow_mut方法：

 1pubfnborrow(&self)->Option<&T>{
 2matchself.state.get(){
 3//當前狀態如果是非共享狀態，則設置引用狀態為共享狀態
 4RefState::Unshared=>{
 5self.state.set(RefState::Shared(1));
 6Some(unsafe{&*self.value.get()})
 7},
 8//當前狀態如果是共享狀態，則引用計數加1
 9RefState::Shared(n)=>{
10self.state.set(RefState::Shared(n+1));
11Some(unsafe{&*self.value.get()})
12},
13//當前狀態如果是獨占狀態，則返回None
14RefState::Exclusive=>None,
15}
16}
17
18pubfnborrow_mut(&self)->Option<&mut?T>{
19//引用狀態既不是共享狀態，也不是獨占狀態，才能設置為獨占狀態。
20ifletRefState::Unshared=self.state.get(){
21self.state.set(RefState::Exclusive);
22Some(unsafe{&mut*self.value.get()})
23}else{
24None
25}
26}

現在有個問題，共享狀態的引用計數只有增沒有減，下面增加兩個類型來完善RefCell：

 1/**
 2*包裝RefCell的共享引用struct
 3*/
 4pubstructRef<'refcell,?T>{
 5refcell:&'refcellRefCell,
 6}
 7
 8implDropforRef<'_,?T>{
 9//超出作用域范圍時，共享引用狀態的變化
10fndrop(&mutself){
11matchself.refcell.state.get(){
12RefState::Unshared|RefState::Exclusive=>unreachable!(),
13RefState::Shared(1)=>{
14self.refcell.state.set(RefState::Unshared);
15},
16RefState::Shared(n)=>{
17self.refcell.state.set(RefState::Shared(n-1));
18}
19}
20}
21}
22
23implstd::DerefforRef<'_,?T>{
24typeTarget=T;
25
26//解引用時直接返回T的引用
27fnderef(&self)->&Self::Target{
28unsafe{&*self.refcell.value.get()}
29}
30}

 1/**
 2*包裝RefCell的可變引用struct
 3*/
 4pubstructRefMut<'refcell,?T>{
 5refcell:&'refcellRefCell,
 6}
 7
 8implDropforRefMut<'_,?T>{
 9//超出作用域范圍時，獨占引用狀態的變化
10fndrop(&mutself){
11matchself.refcell.state.get(){
12RefState::Unshared|RefState::Shared(_)=>unreachable!(),
13RefState::Exclusive=>{
14self.refcell.state.set(RefState::Unshared);
15}
16}
17}
18}
19
20implstd::DerefforRefMut<'_,?T>{
21typeTarget=T;
22
23//解引用時直接返回T的引用
24fnderef(&self)->&Self::Target{
25unsafe{&*self.refcell.value.get()}
26}
27}
28
29implstd::DerefMutforRefMut<'_,?T>{
30//解引用時直接返回T的可變引用
31fnderef_mut(&mutself)->&mutSelf::Target{
32unsafe{&mut*self.refcell.value.get()}
33}
34}

RefCell的borrow和borrow_mut方法的返回值也需要做相應的修改：

 1pubfnborrow(&self)->Option>{
 2matchself.state.get(){
 3//當前狀態如果是非共享狀態，則設置引用狀態為共享狀態
 4RefState::Unshared=>{
 5self.state.set(RefState::Shared(1));
 6Some(Ref{refcell:self})
 7},
 8//當前狀態如果是共享狀態，則引用計數加1
 9RefState::Shared(n)=>{
10self.state.set(RefState::Shared(n+1));
11Some(Ref{refcell:self})
12},
13//當前狀態如果是獨占狀態，則返回None
14RefState::Exclusive=>None,
15}
16}
17
18pubfnborrow_mut(&self)->Option>{
19//引用狀態既不是共享狀態，也不是獨占狀態，才能設置為獨占狀態。
20ifletRefState::Unshared=self.state.get(){
21self.state.set(RefState::Exclusive);
22Some(RefMut{refcell:self})
23}else{
24None
25}
26}

通過我們自己實現的Cell，RefCell的過程，我們了解了智能指針為什么需要實現Drop、Deref和DerefMut特征及內部可變性的原理。

審核編輯：湯梓紅

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