如何借用 RefCell<HashMap>，查找一个键，并返回结果的引用？

Question

我有一个RefCell<HashMap>，想要借用这个表格，查找一个键，并返回结果的引用：

use std::cell::RefCell;
use std::collections::HashMap;

struct Frame {
    map: RefCell<HashMap<String, String>>,
}

impl Frame {
    fn new() -> Frame {
        Frame {
            map: RefCell::new(HashMap::new()),
        }
    }

    fn lookup<'a>(&'a self, k: &String) -> Option<&'a String> {
        self.map.borrow().get(k)
    }
}

fn main() {
    let f = Frame::new();
    println!("{}", f.lookup(&"hello".to_string()).expect("blargh!"));
}

如果我删除 RefCell，那么一切都正常：

(playground)

struct Frame {
    map: HashMap<String, String>,
}

impl Frame {
    fn lookup<'a>(&'a self, k: &String) -> Option<&'a String> {
        self.map.get(k)
    }
}

如何在不复制哈希表中的字符串的情况下编写正确的查找函数？

- Marc Miller

Answer 1

当您从RefCell中借用时，您获得的引用的生命周期比RefCell的短。这是因为引用的生命周期受borrow()返回的guard限制。该guard确保在guard被删除之前没有其他人可以对该值进行可变引用。

但是，您正在尝试返回一个值而不保持guard处于活动状态。如果Frame有一个采用&self参数但尝试改变map的方法（如果使用RefCell则可能会发生这种情况-如果不需要，请放弃使用RefCell并在修改map的方法上编写&mut self），您可能会意外地破坏某个其他人拥有引用的String。这正是借用检查器设计的报告此类错误的原因！

如果map值在实质上是不可变的（即您的类型不允许更改map的值），则还可以在map中将它们包装在Rc中。因此，您可以返回Rc<String>的克隆（这仅克隆引用计数指针，而不是底层字符串），这样可以在从函数返回之前释放map上的借用。

struct Frame {
    map: RefCell<HashMap<String, Rc<String>>>
}

impl Frame {
    fn lookup(&self, k: &String) -> Option<Rc<String>> {
        self.map.borrow().get(k).map(|x| x.clone())
    }
}

- Francis Gagné

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谢谢。这是一个很好的解释。我还在学习，所以我一直在与借用检查器搏斗，但是当然这是有道理的。我想我还不太明白RefCell为什么有所区别——为什么非RefCell版本也不会因为同样的原因而引起问题呢？ - Marc Miller

@MarcMiller：我想你现在已经意识到Rust的所有权和借用是非常重要的。通常情况下，这些都会在编译时进行检查，但是基于“unsafe”代码的构造可以欺骗编译器，并在运行时验证正确性。RefCell就是这样一种构造，因此引入它会稍微改变规则；你可以将其视为单线程代码的读写互斥锁。 - Matthieu M.

@matthieu-m：感谢您的参与！能否请您澄清一下？您是说RefCell将其更改为一种类似于写入锁而不仅仅是读取锁，即使我没有进行borrow_mut吗？我真的不想在这里克隆我的返回值，因为我的对象可能非常大，所以我正在考虑做一些像引用计数的事情：RefCell<HashMap<String，Rc<String>> - 但这让我觉得我在做错事。谢谢。 - Marc Miller

@MarcMiller：如果你根本没有使用borrow_mut()，那么使用RefCell就毫无意义了。直接将HashMap存储在你的Frame中即可。如果你想避免复制/克隆，那么返回一个引用，这就是它们的目的！ - Francis Gagné

@MarcMiller: RefCell 本质上是一种读写锁，虽然不是线程安全的；当你调用.borrow_mut()方法时，它会检查没有其他人已经持有借用（写入需要独占访问权限），而当你调用.borrow()方法时，它会检查没有写入操作进行中（读者获得共享访问权限）。为了确保RefCell具有写入专属性，这意味着通过.borrow()方法借用的内容不能比守卫(Ref<'a, T>)活得长，这就是你在这里遇到的问题（因为守卫的生命周期不长于函数）。返回一个Rc<String>已经被证明可以解决这个问题。 - Matthieu M.