Rust 的所有權和借用系統在編譯時期就確保了記憶體安全,同時也鼓勵使用不變性。然而,實際應用中,完全不變性會帶來效能損耗,因此 Rust 提供了 mut 關鍵字允許可變性,並搭配 RefCell 等工具實作內部可變性,讓開發者在效能和安全性之間取得平衡。理解 Rust 的繼承可變性特性,搭配 ToOwned 特徵將借用資料轉換為擁有權,以及使用 Cow 型別在需要時才複製資料,能有效提升程式碼效率並減少不必要的記憶體分配。這些技巧讓開發者在處理複雜資料結構時,能更靈活地運用不變性,兼顧程式碼安全與效能。

不變性(Immutability)在Rust中的應用與思考

不變性是程式設計中的一個重要概念,強調資料一旦建立後就不應被修改。這種設計理念在多執行緒環境中尤其重要,因為它可以有效避免資料競爭和同步問題。Rust 語言透過其獨特的所有權(Ownership)和借用(Borrowing)機制,鼓勵開發者採用不變性的設計原則。

為什麼不變性不是萬能的

雖然不變性帶來了許多好處,但它並非毫無代價。首先,當我們需要修改資料時,通常需要複製一份資料,這在記憶體和CPU時間上都可能造成額外的開銷。此外,不變性要求我們在設計程式時花更多時間思考資料結構和程式邏輯,這增加了開發的複雜度。

Rust 語言試圖透過允許開發者在需要時選擇可變性來最小化不變性的成本。然而,Rust 的標準函式庫並未強制任何不變性模式,其核心資料結構(如 Vec)與 C++ 或 C 中的陣列類別似,在使用過程中可變性是被允許和預期的。這種設計與 Erlang、Elixir、Haskell、Clojure 和 Elm 等語言完全禁止可變性的做法不同。

如何思考不變性資料

不變性作為一個高層次的概念,與大多數人對資料的理解和電腦處理資料的方式並不完全相容。幾乎所有的電腦,從桌上型電腦到超級電腦,都是根據馮·諾依曼架構(von Neumann architecture)設計的,這種架構強調資料和程式指令儲存在同一個記憶體中。這意味著用於快速存取的記憶體是有限且本質上是可變的。

  graph LR
    A[CPU] -->|I/O bus|> B[Memory]
    A -->|I/O bus|> C[Storage]
    A -->|I/O bus|> D[Network]

圖表翻譯: 此圖示展示了馮·諾依曼架構的基本組成,包括CPU、記憶體、儲存裝置和網路介面之間的關係。馮·諾依曼架構是現代電腦的基礎,它將資料和程式指令儲存在同一個記憶體中,使得資料處理更加高效,但也意味著記憶體本質上是可變的。

在 Rust 中,借用檢查器(borrow checker)幫助我們追蹤程式中哪些部分是可變的,哪些部分是不可變的。然而,對於大型或複雜的程式,仍然需要開發者自行決定如何處理資料。即使在設計上強調不變性的語言中,為了使程式實用,也必須與外部世界互動,而外部世界是可變、有狀態的。

Rust 中的不變性理解

在 Rust 中,所有宣告的變數預設都是不可變的,除非使用 unsafe 關鍵字來繞過語言的保證。如果需要使變數可變,必須使用 mut 關鍵字進行宣告。這種特性會層層傳遞,使得儲存在不可變結構中的資料也是不可變的,這一特性被稱為繼承可變性(inherited mutability)。

let x = 5;  // 不可變變數
let mut y = 10;  // 可變變數

內容解密:

這段程式碼展示瞭如何在 Rust 中宣告不可變和可變變數。let x = 5; 宣告了一個不可變的變數 x,而 let mut y = 10; 則宣告了一個可變的變數 y。Rust 的這一設計鼓勵開發者預設使用不可變性,除非明確需要可變性。

Rust 還提供了 CellRefCellOnceCell 等分享可變容器,這些容器允許內部可變性,使得在某些場景下可以靈活地修改資料。

use std::cell::RefCell;

let x = RefCell::new(5);
*x.borrow_mut() = 10;  // 修改 RefCell 中的值

內容解密:

這段程式碼展示瞭如何使用 RefCell 實作內部可變性。RefCell 允許在不可變的參照背後修改其內部的值。首先,我們建立了一個包含值 5RefCell,然後透過 borrow_mut 方法取得可變參照,並將其內部值修改為 10。這種內部可變性在某些設計模式中非常有用,例如需要在不可變結構中修改某些欄位。

不變性(Immutability)在Rust中的基礎與應用

不變性是程式設計中的一個重要概念,尤其是在多執行緒和平行處理的環境中。Rust作為一門強調安全性和效能的程式語言,對不變性提供了獨特的支援和處理方式。本章節將探討Rust中的不變性原理、內部可變性的概念,以及如何在實際開發中有效地運用這些特性。

瞭解Rust中的不變性基礎

在Rust中,不變性預設是變數的預設狀態。當我們宣告一個變數時,除非明確標記為mut,否則它將保持不變。這種設計哲學鼓勵開發者寫出更安全、更容易理解的程式碼。

let x = 1;
dbg!(x);
let y = x + 1; // y = 2
dbg!(y);
// x += 1; // error: cannot assign twice to immutable variable `x`

內容解密:

  • 在這個例子中,x被宣告為不可變,因此嘗試對其進行修改會導致編譯錯誤。
  • 我們透過宣告新的變數y來實作對x值的「修改」,這是Rust中實作不變性的基本模式。
  • 這種方式避免了直接修改原始值,從而提高了程式碼的可讀性和安全性。

變數遮蔽(Variable Shadowing)與可變性

Rust允許開發者透過變數遮蔽來重新宣告一個同名的變數,這在某些情況下非常有用,尤其是在需要轉換變數的可變性時。

let x = 1;
let mut x = x; // x = 1
x += 1; // x = 2
dbg!(x);

內容解密:

  • 這裡我們首先宣告了一個不可變的x,然後透過遮蔽重新宣告為可變的x
  • 這種技巧允許我們在需要時改變變數的可變性,但必須謹慎使用以避免混淆。

函式呼叫中的可變性

在函式呼叫過程中,Rust的擁有權系統和可變性規則同樣適用。值得注意的是,當值被移動到函式內部時,其可變性可以被改變。

fn mutability(a: i32, mut b: i32) {
    // a += 1; // error: cannot assign twice to immutable variable `a`
    b += 1;
    dbg!(a);
    dbg!(b);
}

let a = 1;
let b = 2;
mutability(a, b);

內容解密:

  • 在這個例子中,ab被傳遞給mutability函式。儘管b在外部是不可變的,但在函式內部被宣告為可變。
  • 這種行為是由於所有權的轉移,不會影響原始變數的可變性。

使用RefCell實作內部可變性

Rust提供了RefCell等工具來實作內部可變性,允許在不可變的容器內部修改資料。

let immutable_string = String::from("This string cannot be changed");
let not_so_immutable_string = RefCell::from(immutable_string);
not_so_immutable_string.borrow_mut().push_str("... or can it?");
dbg!(&not_so_immutable_string);

內容解密:

  • RefCell允許我們在執行時檢查借用規則,而不是編譯時。
  • 透過將不可變的字串包裝在RefCell中,我們可以在不改變外部容器的情況下修改內部的字串。

不變性的實作模式

在Rust中實作不變性的基本模式包括:

  1. 宣告後不修改:一旦宣告並指定後,避免直接修改。
  2. 複製後修改:需要修改時,複製原值並對複製品進行修改。

這種模式看似簡單,但在多數情況下能夠有效地保持程式碼的安全性和清晰度。

未來研究方向

  • 探索更多關於Rust中不變性的最佳實踐。
  • 研究如何在大型專案中有效地使用內部可變性。
  • 分析不同場景下,不變性和可變性選擇對效能的影響。

透過持續的學習和實踐,我們能夠更好地掌握Rust中的不變性原理,並將其應用於實際的軟體開發中,以提高程式碼的品質和安全性。

9.6 利用特徵(traits)實作(幾乎)完全不可變性

在探討不可變性的優缺點後,我們需要了解如何在實踐中應用它。Rust 的標準函式庫提供了一些工具來幫助我們實作這一目標。本文將討論 std::borrow::ToOwned 特徵,它為我們提供了一種模式,可以用來使幾乎任何資料型別都具有不可變性。

9.6.1 ToOwned 特徵的作用

當我們處理不可變資料時,希望避免不必要的資料複製。為此,我們使用對借用資料的參照。Rust 中的 ToOwned 特徵允許我們將一個參照轉換為一個擁有的值。例如:

let s = "A static string".to_owned();

這段程式碼使用 ToOwned 特徵將 &str 轉換為 String。Rust 為任何實作了 Clone 特徵的型別 T 提供了 ToOwned 的預設實作。換句話說,我們可以將 ToOwned 視為對參照或切片的 Clone 的泛化。對於 [T]ToOwned::to_owned() 會傳回一個 Vec,其中的每個元素都被複製。

pub trait ToOwned {
    type Owned: Borrow<Self>;
    fn to_owned(&self) -> Self::Owned;
    fn clone_into(&self, target: &mut Self::Owned) { ... }
}

內容解密:

  1. ToOwned 特徵定義ToOwned 特徵包含一個關聯型別 Owned 和兩個方法:to_ownedclone_into
  2. to_owned 方法:該方法將一個參照轉換為一個擁有的值。對於實作了 Clone 的型別,這個方法實際上呼叫了 Clone::clone()
  3. clone_into 方法:這個方法將當前值的複製到目標可變參照中。

瞭解了 ToOwned 的定義後,我們只需要為我們的資料型別實作 Clone 特徵,就可以使用 ToOwned 將資料轉換為擁有的值,以便在需要時進行修改。

9.7 使用 Cow 實作不可變性

9.7.1 Cow 的基本概念

Cow(Clone-on-Write)是一種智慧指標,它實作了寫入時複製(clone-on-write)的模式。Cow 本身被定義為一個列舉,需要其內容實作 ToOwned 特徵。

pub enum Cow<'a, B>
where
    B: 'a + ToOwned + ?Sized,
{
    Borrowed(&'a B),
    Owned(<B as ToOwned>::Owned),
}

內容解密:

  1. Cow 的定義Cow 是一個列舉,有兩個變體:BorrowedOwned。它類別似於 Option,但更專門化。
  2. Cow 的泛型引數Cow 是泛型的,具有一個生命週期 'a 和一個型別 B,後者必須實作 ToOwned 特徵。
  3. Cow 的作用:我們可以使用 Cow 包裝任何實作了 Clone(因此也實作了 ToOwned)的型別的參照,並在需要修改資料時獲得一個擁有的值。

9.7.2 Cow 的基本使用

use std::borrow::Cow;

let cow_say_what = Cow::from("The cow goes moo");
dbg!(&cow_say_what);

let cows_dont_say_what = cow_say_what.clone().to_mut().replace("moo", "toot");
dbg!(&cow_say_what);
dbg!(&cows_dont_say_what);

內容解密:

  1. 建立 Cow 例項:使用 Cow::from 建立一個包含字串 “The cow goes moo” 的 Cow 例項。
  2. 複製和修改 Cow:呼叫 clone() 複製 Cow 例項,然後呼叫 to_mut() 獲得對內部資料的可變參照,並進行修改。
  3. 輸出結果:原始的 Cow 例項保持不變,而修改後的資料儲存在新的字串中。

執行上述程式碼後,我們可以看到輸出結果如下:

[src/main.rs:5:5] &cow_say_what = "The cow goes moo"
[src/main.rs:9:5] &cow_say_what = "The cow goes moo"
[src/main.rs:10:5] &cows_dont_say_what = "The cow goes toot"

9.7.3 改進 Cow 的使用

讓我們改進前面的例子,以展示如何在實際中使用 Cow。我們定義一個函式,該函式接受一個 Cow<str> 並傳回一個新的 Cow<str>

fn loud_moo<'a>(mut cow: Cow<'a, str>) -> Cow<'a, str> {
    if cow.contains("moo") {
        Cow::from(cow.to_mut().replace("moo", "MOO"))
    } else {
        cow
    }
}

內容解密:

  1. loud_moo 函式:該函式檢查輸入的 Cow<str> 是否包含 “moo”。如果包含,則將 “moo” 替換為 “MOO” 並傳回新的 Cow;否則,傳回原始的 Cow
  2. 呼叫 loud_moo:我們建立一個包含 “The cow goes moo” 的 Cow,呼叫 loud_moo 函式,並列印結果。

執行後,我們可以看到輸出結果如下:

[src/main.rs:21:5] &cow_say_what = "The cow goes moo"
[src/main.rs:22:5] &yelling_cows = "The cow goes MOO"

9.7.4 在結構體中使用 Cow

為了避免在公共 API 中暴露 Cow 的實作細節,我們可以將資料包裝在結構體中,並提供方法來修改內部資料。

#[derive(Debug, Clone)]
struct CowList<'a> {
    cows: Cow<'a, [String]>,
}

impl<'a> CowList<'a> {
    fn add_cow(&self, cow: &str) -> Self {
        let mut new_cows = self.cows.clone().into_owned();
        new_cows.push(cow.to_string());
        CowList {
            cows: Cow::Owned(new_cows),
        }
    }
}

內容解密:

  1. CowList 結構體:我們定義了一個結構體 CowList,其中包含一個 Cow<'a, [String]>
  2. add_cow 方法:該方法複製內部的 Cow,將新的牛的名字新增到列表中,並傳回新的 CowList 例項。

透過這種方式,我們可以在保持原始資料不可變的同時,提供修改資料的方法。

隨著 Rust 語言的不斷發展,我們可以預期會有更多高效的資料結構和技術被引入,以進一步簡化不可變性的實作和最佳化效能。未來,我們可能會看到更多根據智慧指標和特徵的創新設計,這些都將有助於 Rust 成為系統程式設計領域的主流語言之一。

總之,掌握 Rust 中的不可變性技術對於編寫高效、安全的程式碼至關重要。透過合理利用 ToOwnedCow 等工具,我們可以在保證程式正確性的同時,提高程式的效能和可維護性。

圖表說明

  graph LR;
    A["不可變性"] --> B["ToOwned 特徵"];
    A --> C["Cow 型別"];
    B --> D["實作 Clone"];
    C --> E["智慧指標"];
    D --> F["轉換為擁有的值"];
    E --> G["寫入時複製"];
    F --> H["提高效能"];
    G --> H;

圖表翻譯: 此圖表展示了不可變性與相關技術之間的關係。首先,不可變性與 ToOwned 特徵和 Cow 型別相關聯。ToOwned 特徵透過實作 Clone 特徵來提供將參照轉換為擁有的值的功能,而 Cow 型別則是一種智慧指標,實作了寫入時複製的機制。這些技術共同作用,提高了程式的效能和安全性。