tree - 有没有办法遍历可变树以获得随机节点？

Question

我正在尝试更新树结构的节点。随机选择要更新的节点。要使用 Reservoir Sampling 算法对树中的节点进行采样，我必须遍历节点，因此我尝试制作一个 Iterator对于我的 Node枚举。

问题是，一方面，我必须在堆栈或队列中存储子节点的引用，但另一方面，我必须返回父节点的可变引用。 Rust 不允许为一个值创建多个可变引用，也不允许将不可变引用转换为可变引用。

有没有办法遍历可变树？或者是否有另一种方法可以随机获取对树中节点的可变引用？

这是我的代码。

#![feature(box_syntax, box_patterns)]
extern crate rand;

// Simple binary tree structure
#[derive(Debug)]
enum Node {
    Leaf(u8),
    Branch(Box<Node>, Box<Node>),
}

impl Node {
    fn iter_mut(&mut self) -> IterMut {
        IterMut {
            stack: vec![self],
        }
    }

    fn pick_random_node_mut<'a>(&'a mut self) -> &'a mut Node {
        // Revervoir sampling
        let rng = &mut rand::thread_rng();
        rand::seq::sample_iter(rng, self.iter_mut(), 1)
            .ok().and_then(|mut v| v.pop()).unwrap()
    }
}

// An iterator for `Node`
struct IterMut<'a> {
    stack: Vec<&'a mut Node>,
}

impl <'a> Iterator for IterMut<'a> {
    type Item = &'a mut Node;

    fn next(&mut self) -> Option<&'a mut Node> {
        let node = self.stack.pop()?;

        // I am stucking here: cannot borrow `*node` as mutable more than once at a time
        if let &mut Node::Branch(box ref mut a, box ref mut b) = node {
            self.stack.push(b);
            self.stack.push(a);
        }
        Some(node)
    }
}

fn main() {
    use Node::*;

    let mut tree: Node = Branch(box Leaf(1), box Leaf(2));
    println!("{:?}", tree);

    {
        let node: &mut Node = tree.pick_random_node_mut();
        *node = Leaf(3);
    }
    println!("{:?}", tree);

}

Answer 1

不，编写一个对树节点的可变引用的迭代器是不安全的。

假设我们有这个树结构:

         +-+
    +----+ +----+
    |    +-+    |
    |           |
    |           |
 +--v-+      +--v--+
 | 50 |      | 100 |
 +----+      +-----+

如果存在这样的迭代器，我们可以这样调用它:

let mut all_nodes: Vec<&mut Node> = tree.iter_mut().collect();

假设父节点在索引 0 中结束，左节点在索引 1 中，右节点在索引 2 中。

let (head, tail) = all_nodes.split_at_mut(1);

let x = match &mut head[0] {
    Branch(ref mut l, _) => l,
    Leaf(_) => unreachable!(),
};

let y = &mut tail[1];

现在 x 和 y 是彼此的可变别名。我们在完全安全的代码中违反了基本的 Rust 要求。这就是为什么这样的迭代器是不可能的。

---

您可以实现对树中值 的可变引用的迭代器:

impl<'a> Iterator for IterMut<'a> {
    type Item = &'a mut u8;

    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        loop {
            let node = self.stack.pop()?;

            match node {
                Node::Branch(a, b) => {
                    self.stack.push(b);
                    self.stack.push(a);
                }
                Node::Leaf(l) => return Some(l),
            }
        }
    }
}

这是安全的，因为无法从一个可变引用到一个值再到另一个可变引用。然后您可以在此基础上构建您的随机选择:

{
    let rando = match rand::seq::sample_iter(&mut rand::thread_rng(), tree.iter_mut(), 1) {
        Ok(mut v) => v.pop().unwrap(),
        Err(_) => panic!("Not enough elements"),
    };

    *rando += 1;
}