tree - 有没有一种方法可以在没有运行时开销的情况下构建具有循环链接的结构？

Question

我正在尝试用 Rust 实现循环链​​接数据结构。我的 Node 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
}

这行得通，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”。我尝试了这个，但它不起作用，因为我无法分配给 link1，这是借用上面的行，并且因为 link2 会超出范围仍由 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 Rc 来避免这些生命周期问题，但这听起来似乎违背了 Rust 的 0 运行时成本生命周期管理的目的。

另一种将所有节点放入 Vec 并仅直接引用它的尝试也不起作用:

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]);

因为我不能在不可变地借用它们的情况下更改任何节点，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

有没有一种方法可以在没有运行时开销的情况下拥有这样一个带有循环链接的结构，例如像我试过的那样使用纯引用？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

Is there a way to have such a structure with cyclic links without runtime overhead, for example with pure references like I tried? I'm fine with additional memory cost, like a backing Vec holding ownership to all nodes.

是的，有很多方法。

然而，重要的是要认识到 Rust 需要始终执行别名异或可变性 原则。最好在编译时强制执行它，以便运行时成本为 0，但有时需要在运行时管理它，为此有多种结构:

• Cell , RefCell , AtomicXXX , Mutex , RWLock (名字不当的)是关于安全地改变别名项目，
• Rc , Weak , Arc ，是关于拥有多个所有者。

与获得的灵 active 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。

---

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

然而，主要困难是获得一组具有相同生命周期的节点。你的想法是正确的 Vec<Node> ，但是正如您注意到的，一旦您借用一个节点，您就无法改变 Vec再次:这是因为增长了 Vec可能会导致它重新分配其底层存储，这将使已经获得的引用悬空(指向释放的内存)。

通用解决方案是使用不安全代码来自行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限的(由语法定义)，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. 使用 Cell 对于可变部分( &T 是 Copy )。

如果没有 unsafe，您将无法将竞技场存储在与其余语法相同的结构中代码;是否使用 unsafe 由您决定或构建您的程序，使竞技场比计算更长久。