有没有办法在没有运行时开销的情况下构建具有循环链接的结构？

Question

我正在尝试在 Rust 中实现循环链​​接数据结构。我的Nodes 定义为：

#[derive(Debug)]
enum Node<'a> {
    Link(&'a Node<'a>),
    Leaf,
}

我正在尝试构建一个像这样的最小结构（额外的括号以获得更好的生命周期可见性）：

fn main() {
    let placeholder = Node::Leaf;
    {
        let link1 = Node::Link(&placeholder);
        {
            let link2 = Node::Link(&link1);
            println!("{:?}", link2);
        } // link2 gets dropped
    } // link1 gets dropped
}

这可行，但现在我不知道如何将占位符替换为对 link2 的引用以“关闭循环”。我试过这个，但它不起作用，因为我不能分配给link1，这是借用了上面的行，并且因为link2 会超出范围，而它仍然被link1 引用：

let placeholder = Node::Leaf;
{
    let mut link1 = Node::Link(&placeholder);
    {
        let link2 = Node::Link(&link1);
        link1 = Node::Link(&link2);
        println!("{:?}", link2);
    } // link2 gets dropped
} // link1 gets dropped

error: `link2` does not live long enough
  --> src/main.rs:15:9
   |
13 |             link1 = Node::Link(&link2);
   |                                 ----- borrow occurs here
14 |             println!("{:?}", link2);
15 |         } // link2 gets dropped
   |         ^ `link2` dropped here while still borrowed
16 |     } // link1 gets dropped
   |     - borrowed value needs to live until here

error[E0506]: cannot assign to `link1` because it is borrowed
  --> src/main.rs:13:13
   |
12 |             let link2 = Node::Link(&link1);
   |                                     ----- borrow of `link1` occurs here
13 |             link1 = Node::Link(&link2);
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ assignment to borrowed `link1` occurs here

我可以尝试通过使用 Rcs 来避免这些生命周期问题，但这听起来会破坏 Rust 的 0-runtime-cost 生命周期管理的目的。

将所有节点放入 Vec 并仅直接引用它的另一种尝试也不起作用：

use std::ops::IndexMut;

let mut store = Vec::new();
store.push(Node::Leaf);
store.push(Node::Link(&store[0]));
store.push(Node::Link(&store[1]));
*store.index_mut(1) = Node::Link(&store[2]);

因为我不能更改任何节点而不可变地借用它们，但它们都已经被不可变地借用了。

error[E0502]: cannot borrow `store` as immutable because it is also borrowed as mutable
  --> src/main.rs:12:28
   |
12 |     store.push(Node::Link(&store[0]));
   |     -----                  ^^^^^    - mutable borrow ends here
   |     |                      |
   |     |                      immutable borrow occurs here
   |     mutable borrow occurs here

error[E0502]: cannot borrow `store` as mutable because it is also borrowed as immutable
  --> src/main.rs:13:5
   |
12 |     store.push(Node::Link(&store[0]));
   |                            ----- immutable borrow occurs here
13 |     store.push(Node::Link(&store[1]));
   |     ^^^^^ mutable borrow occurs here
14 |     *store.index_mut(1) = Node::Link(&store[2]);
15 | }
   | - immutable borrow ends here

error[E0502]: cannot borrow `store` as immutable because it is also borrowed as mutable
  --> src/main.rs:13:28
   |
13 |     store.push(Node::Link(&store[1]));
   |     -----                  ^^^^^    - mutable borrow ends here
   |     |                      |
   |     |                      immutable borrow occurs here
   |     mutable borrow occurs here

error[E0502]: cannot borrow `store` as mutable because it is also borrowed as immutable
  --> src/main.rs:14:6
   |
12 |     store.push(Node::Link(&store[0]));
   |                            ----- immutable borrow occurs here
13 |     store.push(Node::Link(&store[1]));
14 |     *store.index_mut(1) = Node::Link(&store[2]);
   |      ^^^^^ mutable borrow occurs here
15 | }
   | - immutable borrow ends here

有没有办法在没有运行时开销的情况下使用具有循环链接的结构，例如像我尝试过的纯引用？我可以接受额外的内存成本，例如支持 Vec 持有所有节点的所有权。

Answer 1

有没有办法在没有运行时开销的情况下使用具有循环链接的结构，例如像我尝试过的纯引用？我可以接受额外的内存成本，例如支持所有节点的 Vec。

是的，有很多方法。

然而，重要的是要意识到 Rust 需要始终执行 Aliasing XOR Mutability 原则。最好在编译时强制执行它，以使运行时成本为 0，但有时需要在运行时对其进行管理，并且有多种结构：

• Cell、RefCell、AtomicXXX、Mutex、RWLock（名字不好）是关于安全地变异别名项目，
• Rc、Weak、Arc 是关于拥有多个所有者的。

与获得的灵活性相比，平衡潜在的运行时开销是一门艺术；这需要一些经验和实验。

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在您的特定情况下（构建一个节点相互引用的 BNF 语法），我们确实可以使用 Cell 实现 0 运行时开销以实现可变性。

然而，主要的困难是获得一组具有相同生命周期的节点。您对Vec<Node> 的想法是正确的，但是当您注意到借用一个节点时，您不能再次改变Vec：这是因为增加Vec 可能会导致它重新分配它的底层存储将使已经获得的引用悬空（指向释放的内存）。

一般的解决方案是使用不安全的代码来自己管理节点的生命周期。但是，您很幸运：正如您所提到的，您的情况很特殊，因为节点的数量是有界的（受语法定义的限制），并且您一次将它们全部删除。这需要一个竞技场。

因此，我的建议是双重的：

1. 在typed-arena 中存储节点，
2. 对可变部分使用Cell（&T 是Copy）。

如果没有unsafe 代码，您将无法将竞技场存储在与其余语法相同的结构中；是否使用unsafe 或构建程序以使竞技场比计算更有效，这取决于您。