具有内部可变性的细胞允许任意突变动作

Question

标准 Cell 结构提供内部可变性，但只允许使用一些可变方法，例如 set()、swap() 和 replace()。所有这些方法都会改变 Cell 的全部内容。但是，有时需要更具体的操作，例如只更改Cell中包含的部分数据。

所以我尝试实现某种通用 Cell，允许任意数据操作。操作由接受单个参数的用户定义闭包表示 - &mut 对 Cell 内部数据的引用，因此用户自己可以决定如何处理 Cell 内部。下面的代码演示了这个想法：

use std::cell::UnsafeCell;

struct MtCell<Data>{
    dcell: UnsafeCell<Data>,
}

impl<Data> MtCell<Data>{
    fn new(d: Data) -> MtCell<Data> {
        return MtCell{dcell: UnsafeCell::new(d)};
    }

    fn exec<F, RetType>(&self, func: F) -> RetType where
        RetType: Copy,
        F: Fn(&mut Data) -> RetType 
    {
        let p = self.dcell.get();
        let pd: &mut Data;
        unsafe{ pd = &mut *p; }
        return func(pd);
    }
}

// test:

type MyCell = MtCell<usize>;

fn main(){
    let c: MyCell = MyCell::new(5);
    println!("initial state: {}", c.exec(|pd| {return *pd;}));
    println!("state changed to {}", c.exec(|pd| {
        *pd += 10; // modify the interior "in place"
       return *pd;
    }));
}

不过，我对代码有些疑虑。

它安全吗，即一些安全但恶意的闭包是否可以通过使用这个“通用”单元来破坏 Rust mutability/borrowing/lifetime 规则？我认为它是安全的，因为内部引用参数的生命周期禁止它在闭包调用时间之外进行说明。但是我仍然有疑问（我是 Rust 的新手）。
也许我正在重新发明轮子并且存在一些解决问题的模板或技术？

注意：我把问题贴在这里（不是在代码审查上），因为它似乎与语言更相关，而不是代码本身（它只代表一个概念）。

[编辑]我想要零成本抽象而不可能出现运行时故障，因此 RefCell 不是完美的解决方案。

Answer 1

您的代码不安全，因为您可以在 c.exec 中调用 c.exec 以获得对单元格内容的两个可变引用，如仅包含安全代码的代码片段所示：

let c: MyCell = MyCell::new(5);
c.exec(|n| {
    // need `RefCell` to access mutable reference from within `Fn` closure
    let n = RefCell::new(n);

    c.exec(|m| {
        let n = &mut *n.borrow_mut();
        
        // now `n` and `m` are mutable references to the same data, despite using
        // no unsafe code. this is BAD!
    })
})

事实上，这正是我们同时拥有Cell和RefCell的原因：

Cell 只允许您获取和设置一个值，不允许您从不可变引用中获取可变引用（从而避免了上述问题），但它没有任何运行时成本。
RefCell 允许您从不可变引用中获取可变引用，但需要在运行时执行检查以确保这是安全的。

据我所知，没有任何安全的方法可以解决这个问题，因此您需要在代码中做出选择，是没有运行时成本但灵活性较低，还是灵活性更高但运行时成本较低。

Answer 2

这是 Rust 初学者非常的一个常见陷阱。

Is it safe, i.e can some safe but malicious closure break Rust mutability/borrowing/lifetime rules by using this "universal" cell? I consider it safe since lifetime of the interior reference parameter prohibits its exposition beyond the closure call time. But I still have doubts (I'm new to Rust).

一句话，没有

Playground

fn main() {
    let mt_cell = MtCell::new(123i8);

    mt_cell.exec(|ref1: &mut i8| {
        mt_cell.exec(|ref2: &mut i8| {
            println!("Double mutable ref!: {:?} {:?}", ref1, ref2);
        })
    })
}

引用不能在闭包外使用是完全正确的，但在闭包内，一切都不可能了！事实上，几乎所有在闭包内的单元格上的操作（读取或写入）都是未定义的行为 (UB)，并且可能导致程序中的任何地方 corruption/crashes。

Maybe I'm re-inventing the wheel and there exist some templates or techniques solving the problem?

使用 Cell 通常不是最好的技术，但如果不进一步了解问题，就不可能知道什么是最佳解决方案。

如果您坚持 Cell，有一些安全的方法可以做到这一点。不稳定（即 beta）Cell::update() 方法实际上是用以下代码实现的（当 T: Copy 时）：

pub fn update<F>(&self, f: F) -> T
where
    F: FnOnce(T) -> T,
{
    let old = self.get();
    let new = f(old);
    self.set(new);
    new
}

或者您可以使用 Cell::get_mut()，但我想这违背了 Cell 的全部目的。

但是，通常仅更改 Cell 的一部分的最佳方法是将其分解为单独的 Cell。例如，使用 (Cell<i8>, Cell<i8>, Cell<i8>).

而不是 Cell<(i8, i8, i8)>

不过，IMO，Cell 很少是最好的解决方案。内部可变性是 C 和许多其他语言中的常见设计，但它在 Rust 中更为罕见，至少通过共享引用和 Cell，出于多种原因（例如，它不是 Sync，并且一般来说，人们不会期望没有 &mut) 的内部可变性。问问自己为什么要使用 Cell 以及真的不可能重新组织代码以使用正常的 &mut 引用。

IMO 底线实际上是关于安全的：如果无论你做什么，编译器都会报错并且看起来你需要使用 unsafe，那么我向你保证 99% 的时间要么：

有一个安全的（但可能 complex/unintuitive）的方法，或者
它实际上是未定义的行为（就像在这种情况下）。

编辑：也有关于何时使用 Cell/RefCell.

的更好信息

具有内部可变性的细胞允许任意突变动作

A cell with interior mutability allowing arbitrary mutation actions

rust

interior-mutability