RefCell<T> und das innere Veränderbarkeitsmuster

`RefCell<T>` und das innere Veränderbarkeitsmuster

Die innere Veränderbarkeit (interior mutability) ist ein Entwurfsmuster in Rust, mit dem man Daten auch dann verändern kann, wenn unveränderbare Referenzen auf diese Daten vorhanden sind. Normalerweise ist diese Aktion nach den Ausleihregeln nicht zulässig. Um Daten zu verändern, verwendet das Muster „unsicheren Programmcode“ (unsafe code) innerhalb einer Datenstruktur, um Rusts übliche Regeln, die Veränderbarkeit und Ausleihen betreffen, zu verändern. Unsicherer Code zeigt dem Compiler an, dass wir die Regeln manuell überprüfen, anstatt uns darauf zu verlassen, dass der Compiler sie für uns überprüft; wir werden unsicheren Code in Kapitel 20 genauer besprechen.

Wir können Typen verwenden, die das innere Veränderbarkeitsmuster verwenden, wenn wir sicherstellen können, dass die Ausleihregeln zur Laufzeit eingehalten werden, obwohl der Compiler dies nicht garantieren kann. Der betroffene unsichere Programmcode wird dann in eine sichere API eingepackt und der äußere Typ ist immer noch unveränderbar.

Lass uns dieses Konzept untersuchen, indem wir uns den Typ RefCell<T> ansehen, der dem inneren Veränderbarkeitsmuster folgt.

Mit `RefCell<T>` Ausleihregeln zur Laufzeit sicherstellen

Im Gegensatz zu Rc<T> repräsentiert der Typ RefCell<T> die ungeteilte Eigentümerschaft (ownership) für die darin enthaltenen Daten. Was unterscheidet RefCell<T> von einem Typ wie Box<T>? Erinnere dich an die Ausleihregeln die wir im Kapitel 4 gelernt haben:

Zu jeder Zeit kann man entweder eine veränderbare Referenz oder eine beliebige Anzahl unveränderbarer Referenzen haben (nicht aber beides).
Referenzen müssen immer gültig sein.

Mit Referenzen und Box<T> werden die Invarianten der Ausleihregeln beim Kompilieren erzwungen. Mit RefCell<T> werden diese Invarianten zur Laufzeit erzwungen. Wenn man mit Referenzen gegen diese Regeln verstößt, wird beim Kompilieren ein Fehler angezeigt. Wenn man mit RefCell<T> gegen diese Regeln verstößt, wird das Programm mit panic abgebrochen.

Die Überprüfung der Ausleihregeln zur Kompilierzeit hat den Vorteil, dass Fehler früher im Entwicklungsprozess erkannt werden und die Laufzeitperformanz nicht beeinträchtigt wird, da die gesamte Analyse im Voraus abgeschlossen wurde. Aus diesen Gründen ist es in den meisten Fällen die beste Wahl, die Ausleihregeln zur Kompilierzeit zu überprüfen. Aus diesem Grund ist dies die Standardeinstellung von Rust.

Der Vorteil der Überprüfung der Ausleihregeln zur Laufzeit besteht darin, dass bestimmte speichersichere Szenarien zulässig sind, während sie bei der Überprüfung zur Kompilierzeit nicht zulässig gewesen wären. Die statische Analyse ist wie der Rust-Compiler von Natur aus konservativ. Einige Eigenschaften des Programmcodes lassen sich durch Analyse des Programmcodes nicht erkennen: Das bekannteste Beispiel ist das Halteproblem, das über den Rahmen dieses Buches hinausgeht, aber ein interessantes Thema zum Nachforschen ist.

Da manche Analysen nicht möglich sind, lehnt der Rust-Compiler möglicherweise ein korrektes Programm ab, wenn er nicht sicher sein kann, dass der Programmcode den Eigentumsregeln entspricht. Auf diese Art ist Rust konservativ. Wenn es ein falsches Programm akzeptiert, können Benutzer den Garantien von Rust nicht vertrauen. Wenn Rust jedoch ein korrektes Programm ablehnt, wird der Programmierer belästigt, obwohl nichts Schlimmes passieren kann. Der Typ RefCell<T> ist nützlich, wenn man sicher ist, dass der Programmcode den Ausleihregeln entspricht, der Compiler dies jedoch nicht verstehen und garantieren kann.

Ähnlich wie Rc<T> ist RefCell<T> nur für die Verwendung in einsträngigen (single-threaded) Szenarien vorgesehen und verursacht einen Kompilierfehler, wenn man versucht, es in einem mehrsträngigen (multi-threaded) Kontext zu verwenden. Wir werden in Kapitel 16 darüber sprechen, wie man die Funktionalität von RefCell<T> in einem mehrsträngigen Programm erhält.

Eine Zusammenfassung der Gründe für die Wahl von Box<T>, Rc<T> oder RefCell<T>:

Rc<T> erlaubt mehrere Eigentümer derselben Daten. Mit Box<T> und RefCell<T> haben Daten nur einen Eigentümer.
Box<T> ermöglicht unveränderbares oder veränderbares Ausleihen, das zur Kompilierzeit überprüft wird. Rc<T> erlaubt nur unveränderbares Ausleihen, das zur Kompilierzeit geprüft wird und RefCell<T> erlaubt unveränderbares oder veränderbares Ausleihen, das zur Laufzeit überprüft wird.
Da RefCell<T> zur Laufzeit überprüfbares veränderbares Ausleihen zulässt, kann man den Wert innerhalb von RefCell<T> auch dann ändern, wenn RefCell<T> unveränderbar ist.

Das Ändern des Werts innerhalb eines unveränderbaren Werts ist das innere Veränderbarkeitsmuster. Schauen wir uns eine Situation an, in der innere Veränderbarkeit nützlich ist, und untersuchen, wie dies möglich ist.

Innere Veränderbarkeit: Das veränderbare Ausleihen eines unveränderbaren Wertes

Eine Konsequenz der Ausleihregeln ist, dass man einen unveränderbaren Wert nicht veränderbar ausleihen kann. Dieser Programmcode wird beispielsweise nicht kompilieren:

fn main() {
    let x = 5;
    let y = &mut x;
}

Wenn man versucht, diesen Programmcode zu kompilieren, wird folgende Fehlermeldung angezeigt:

$ cargo run
   Compiling borrowing v0.1.0 (file:///projects/borrowing)
error[E0596]: cannot borrow `x` as mutable, as it is not declared as mutable
 --> src/main.rs:3:13
  |
3 |     let y = &mut x;
  |             ^^^^^^ cannot borrow as mutable
  |
help: consider changing this to be mutable
  |
2 |     let mut x = 5;
  |         +++

For more information about this error, try `rustc --explain E0596`.
error: could not compile `borrowing` (bin "borrowing") due to 1 previous error

Es gibt jedoch Situationen, in denen es nützlich wäre, wenn ein Wert durch seine Methoden selbst veränderbar ist, aber für anderen Programmcode unveränderbar erscheint. Programmcode außerhalb der Methoden des Werts kann diesen nicht verändern. Die Verwendung von RefCell<T> ist eine Möglichkeit, die Fähigkeit zur inneren Veränderbarkeit zu erhalten, allerdings umgeht RefCell<T> die Ausleihregeln nicht vollständig: Der Ausleihenprüfer (borrow checker) im Compiler ermöglicht diese innere Veränderbarkeit, und die Ausleihregeln werden stattdessen zur Laufzeit überprüft. Wenn man gegen die Regeln verstößt, führt das zu panic! anstelle eines Kompilierfehlers.

Lass uns ein praktisches Beispiel durcharbeiten, in dem wir RefCell<T> verwenden, um einen unveränderbaren Wert zu ändern und um herauszufinden, warum dies nützlich ist.

Ein Anwendungsfall für die innere Veränderbarkeit: Mock-Objekte (Mock Objects)

Manchmal verwendet ein Programmierer beim Testen einen Typ anstelle eines anderen Typs, um ein bestimmtes Verhalten zu beobachten und festzustellen, ob es korrekt implementiert ist. Dieser Platzhaltertyp wird Testdoppel (test double) genannt. Stell dir das so vor wie ein „Stunt-Double“ beim Film, bei dem eine Person einspringt und einen Schauspieler in einer besonders schwierigen Szene ersetzt. Testdoppel stehen für andere Typen ein, wenn wir Tests durchführen. Mock-Objekte sind bestimmte Arten von Testdoppeln, die aufzeichnen, was während eines Tests passiert, damit man bestätigen kann, dass die richtigen Aktionen ausgeführt wurden.

Rust verfügt nicht im gleichen Sinne wie andere Programmiersprachen über Objekte und in die Standardbibliothek integrierte Mock-Objekt-Funktionalität. Man kann jedoch definitiv eine Struktur erstellen, die denselben Zwecken dient wie ein Mock-Objekt.

Hier ist das Szenario, das wir testen werden: Wir erstellen eine Bibliothek, die einen Wert anhand eines Maximalwerts verfolgt und Nachrichten basierend darauf sendet, wie nahe der Maximalwert am aktuellen Wert liegt. Diese Bibliothek kann verwendet werden, um das Kontingent eines Benutzers für die Anzahl der API-Aufrufe zu verfolgen, die er beispielsweise ausführen darf.

Unsere Bibliothek bietet nur die Funktionalität, zu verfolgen, wie nahe ein Wert am Maximum liegt und wie die Nachrichten zu bestimmten Zeiten sein sollten. Von Anwendungen, die unsere Bibliothek verwenden, wird erwartet, dass sie den Mechanismus zum Senden der Nachrichten bereitstellen: Die Anwendung könnte eine Nachricht in der Anwendung anlegen, eine E-Mail senden, eine Textnachricht senden oder etwas anderes machen. Die Bibliothek muss dieses Detail nicht kennen. Alles, was es braucht, ist Code, der ein von uns bereitgestelltes Merkmal (trait) namens Messenger implementiert. Codeblock 15-20 zeigt den Bibliothekscode.

Dateiname: src/lib.rs

#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, max: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Fehler: Du hast dein Kontingent überschritten!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Dringliche Warnung: Du hast über 90% deines Kontingents verbraucht!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warnung: Du hast über 75% deines Kontingents verbraucht!");
        }
    }
}
}

Codeblock 15-20: Eine Bibliothek um zu verfolgen, wie nahe ein Wert an einem Maximalwert liegt, und um zu warnen, wenn der Wert über bestimmten Schwellwerten liegt

Ein wichtiger Teil dieses Programmcodes ist, dass das Merkmal Messenger eine Methode namens send hat, die eine unveränderbare Referenz auf self und den Text der Nachricht erhält. Dieses Merkmal ist die Schnittstelle, die unser Mock-Objekt implementieren muss, damit das Mock-Objekt auf die gleiche Weise wie ein reales Objekt verwendet werden kann. Der andere wichtige Teil ist, dass wir das Verhalten der Methode set_value von LimitTracker testen wollen. Wir können ändern, was wir für den Parameter value übergeben, aber set_value gibt nichts zurück, auf das wir Zusicherungen machen können. Wir wollen in der Lage sein zu sagen, dass, wenn wir einen LimitTracker mit etwas erstellen, das das Merkmal Messenger und einen bestimmten Wert für max implementiert, wenn wir verschiedene Zahlen für value übergeben, der Messenger angewiesen wird, die entsprechenden Nachrichten zu senden.

Wir benötigen ein Mock-Objekt, das anstelle einer E-Mail oder einer Textnachricht beim Aufrufen von send nur die Nachrichten verfolgt, die gesendet werden sollen. Wir können eine neue Instanz des Mock-Objekts estellen, einen LimitTracker erstellen, der das Mock-Objekt verwendet, die Methode set_value für LimitTracker aufrufen und dann überprüfen, ob das Mock-Objekt die erwarteten Nachrichten enthält. Codeblock 15-21 zeigt den Versuch, ein Mock-Objekt zu implementieren, um genau das zu tun, aber der Ausleihenprüfer erlaubt dies nicht.

Dateiname: src/lib.rs

#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, max: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Fehler: Du hast dein Kontingent überschritten!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Dringliche Warnung: Du hast über 90% deines Kontingents verbraucht!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warnung: Du hast über 50% deines Kontingents verbraucht!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: Vec<String>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: vec![],
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) {
            self.sent_messages.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.len(), 1);
    }
}
}

Codeblock 15-21: Der Versuch einen MockMessenger zu implementieren, der vom Ausleihenprüfer nicht erlaubt wird

Dieser Testcode definiert eine Struktur MockMessenger mit einem Feld sent_messages mit einem Vec von String-Werten, um Nachrichten zu verfolgen, die gesendet werden sollen. Wir definieren auch eine zugehörige Funktion new, um das Erstellen neuer MockMessenger-Werte zu vereinfachen, die mit einer leeren Liste von Nachrichten beginnen. Wir implementieren dann das Merkmal Messenger für MockMessenger, damit wir LimitTracker einen MockMessenger übergeben können. Bei der Definition der Methode send nehmen wir die übergebene Nachricht als Parameter und speichern sie in der Liste sent_messages von MockMessenger.

Im Test testen wir, was passiert, wenn dem LimitTracker gesagt wird, er solle value auf etwas setzen, das mehr als 75 Prozent des max-Wertes beträgt. Zuerst erstellen wir einen neuen MockMessenger, der mit einer leeren Nachrichtenliste beginnt. Dann erstellen wir einen neuen LimitTracker und geben ihm eine Referenz auf den neuen MockMessenger und einen max-Wert von 100. Wir rufen die Methode set_value auf LimitTracker mit dem Wert 80 auf, was mehr als 75 Prozent von 100 ist. Dann stellen wir sicher, dass die Nachrichtenliste, die der MockMessenger verwaltet, nun eine einzige Nachricht enthalten sollte.

Es gibt jedoch ein Problem mit diesem Test, wie hier gezeigt:

$ cargo test
   Compiling limit-tracker v0.1.0 (file:///projects/limit-tracker)
error[E0596]: cannot borrow `self.sent_messages` as mutable, as it is behind a `&` reference
  --> src/lib.rs:58:13
   |
58 |             self.sent_messages.push(String::from(message));
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ `self` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
   |
help: consider changing this to be a mutable reference in the `impl` method and the `trait` definition
   |
2  ~     fn send(&mut self, msg: &str);
3  | }
...
56 |     impl Messenger for MockMessenger {
57 ~         fn send(&mut self, message: &str) {
   |

For more information about this error, try `rustc --explain E0596`.
error: could not compile `limit-tracker` (lib test) due to 1 previous error

Wir können MockMessenger nicht so ändern, dass es die Nachrichten verfolgt, da die Methode send eine unveränderbare Referenz auf self benötigt. Wir können auch nicht den Vorschlag aus dem Fehlertext übernehmen, &mut self sowohl in der Methode impl als auch in der Merkmalsdefinition zu verwenden. Wir wollen das Merkmal Messenger nicht nur um des Testens willen ändern. Stattdessen müssen wir einen Weg finden, damit unser Testcode mit unserem bestehenden Design korrekt funktioniert.

Dies ist eine Situation, in der innere Veränderbarkeit helfen kann! Wir speichern die send_messages in einer RefCell<T> und dann kann die Methode send den Wert sent_messages ändern, um Nachrichten zu speichern, die wir gesehen haben. Codeblock 15-22 zeigt, wie das aussieht.

Dateiname: src/lib.rs

pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, max: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Fehler: Du hast dein Kontingent überschritten!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Dringliche Warnung: Du hast über 90% deines Kontingents verbraucht!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warnung: Du hast über 50% deines Kontingents verbraucht!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: RefCell<Vec<String>>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: RefCell::new(vec![]),
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) {
            self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        // --abschneiden--

        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}

Codeblock 15-22: RefCell<T> verwenden, um einen inneren Wert zu verändern, während der äußere Wert als unveränderbar betrachtet wird

Das Feld sent_messages ist jetzt vom Typ RefCell<Vec<String>> anstelle von Vec<String>. In der Funktion new erstellen wir eine neue RefCell<Vec<Sting>>-Instanz um den leeren Vektor.

Für die Implementierung der Methode send ist der erste Parameter immer noch eine unveränderbare Ausleihe von self, die der Merkmalsdefinition entspricht. Wir rufen borrow_mut auf der RefCell<Vec<String>> in self.sent_messages auf, um eine veränderbare Referenz auf den Wert in der RefCell<Vec<String>> zu erhalten, der der Vektor ist. Dann können wir push auf der veränderbaren Referenz zum Vektor aufrufen, um die während des Tests gesendeten Nachrichten zu verfolgen.

Die letzte Änderung, die wir vornehmen müssen, betrifft die Zusicherung: Um zu sehen, wie viele Elemente sich im inneren Vektor befinden, rufen wir borrow auf RefCell<Vec<String>> auf, um eine unveränderbare Referenz auf den Vektor zu erhalten.

Nachdem du nun gesehen hast, wie du RefCell<T> verwendest, wollen wir uns mit der Funktionsweise befassen.

Mit `RefCell<T>` den Überblick über die Ausleihen zur Laufzeit behalten

Beim Erstellen unveränderbarer und veränderbarer Referenzen verwenden wir die Syntax & bzw. &mut. Bei RefCell<T> verwenden wir die Methoden borrow und borrow_mut, die Teil der sicheren API sind, die zu RefCell<T> gehört. Die Methode borrow gibt den intelligenten Zeigertyp Ref<T> zurück und borrow_mut den intelligenten Zeigertyp RefMut<T>. Beide Typen implementieren Deref, sodass wir sie wie reguläre Referenzen behandeln können.

RefCell<T> verfolgt, wie viele intelligente Zeiger Ref<T> und RefMut<T> derzeit aktiv sind. Jedes Mal, wenn wir borrow aufrufen, erhöht RefCell<T> die Anzahl der aktiven unveränderbaren Ausleihen. Wenn ein Ref<T>-Wert außerhalb des Gültigkeitsbereichs (scope) liegt, sinkt die Anzahl der unveränderbaren Ausleihen um eins. Genau wie bei den Ausleihregeln zur Kompilierzeit können wir mit RefCell<T> zu jedem Zeitpunkt viele unveränderbare Ausleihen oder eine veränderbare Ausleihe haben.

Wenn wir versuchen, diese Regeln zu verletzen, erhalten wir keinen Kompilierfehler wie bei Referenzen, sondern die Implementierung von RefCell<T> wird zur Laufzeit abstürzen. Codeblock 15-23 zeigt eine Modifikation der Implementierung von send in Codeblock 15-22. Wir versuchen absichtlich, zwei veränderbare Ausleihen im selben Gültigkeitsbereich zu erstellen, um zu veranschaulichen, dass RefCell<T> uns daran hindert, dies zur Laufzeit zu tun.

Dateiname: src/lib.rs

#![allow(unused)]
fn main() {
pub trait Messenger {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: Messenger> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, max: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;

        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Fehler: Du hast dein Kontingent überschritten!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Dringliche Warnung: Du hast über 90% deines Kontingents verbraucht!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warnung: Du hast über 50% deines Kontingents verbraucht!");
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: RefCell<Vec<String>>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: RefCell::new(vec![]),
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) {
            let mut one_borrow = self.sent_messages.borrow_mut();
            let mut two_borrow = self.sent_messages.borrow_mut();

            one_borrow.push(String::from(message));
            two_borrow.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);

        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}
}

Codeblock 15-23: Wir erstellen zwei veränderbare Referenzen im selben Gültigkeitsbereich, um zu sehen, dass RefCell<T> abstürzt

Wir erstellen eine Variable one_borrow für den intelligenten Zeiger RefMut<T>, der von borrow_mut zurückgegeben wird. Dann erstellen wir auf die gleiche Weise eine weitere veränderbare Ausleihe in der Variable two_borrow. Dadurch werden zwei veränderbare Referenzen im selben Gültigkeitsbereich erstellt, was nicht zulässig ist. Wenn wir die Tests für unsere Bibliothek ausführen, wird der Programmcode in Codeblock 15-23 fehlerfrei kompiliert, aber der Test schlägt fehl:

$ cargo test
   Compiling limit-tracker v0.1.0 (file:///projects/limit-tracker)
    Finished test [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.91s
     Running unittests src/lib.rs (target/debug/deps/limit_tracker-e599811fa246dbde)

running 1 test
test tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message ... FAILED

failures:

---- tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message stdout ----
thread 'tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message' panicked at src/lib.rs:60:53:
already borrowed: BorrowMutError
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace


failures:
    tests::it_sends_an_over_75_percent_warning_message

test result: FAILED. 0 passed; 1 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out; finished in 0.00s

error: test failed, to rerun pass `--lib`

Beachte, dass der Programmcode mit der Meldung already borrowed: BorrowMutError abstürzt. Auf diese Weise behandelt RefCell<T> zur Laufzeit Verstöße gegen die Ausleihregel.

Wenn du dich dafür entscheidest, Ausleihfehler zur Laufzeit und nicht zur Kompilierzeit abzufangen, wie wir es hier getan haben, bedeutet das, dass du Fehler in deinem Code möglicherweise erst später im Entwicklungsprozess findest: Möglicherweise erst, wenn dein Code in der Produktion eingesetzt wird. Außerdem würde dieser Programmcode eine kleine Beeinträchtigung der Laufzeitperformanz verursachen, da die Ausleihen zur Laufzeit und nicht zur Kompilierzeit nachverfolgt werden. Die Verwendung von RefCell<T> ermöglicht es jedoch, ein Mock-Objekt zu schreiben, das sich selbst ändern kann, um die Nachrichten zu verfolgen, die es gesehen hat, während man es in einem Kontext verwendet, in dem nur unveränderbare Werte zulässig sind. Man kann RefCell<T> trotz seiner Kompromisse verwenden, um mehr Funktionen zu erhalten, als reguläre Referenzen bieten.

Mehrere Eigentümer veränderbarer Daten mit `Rc<T>` und `RefCell<T>` erlauben

Eine übliche Methode zur Verwendung von RefCell<T> ist die Kombination mit Rc<T>. Erinnere dich, dass man mit Rc<T> mehrere Eigentümer einiger Daten haben kann, aber nur unveränderbaren Zugriff auf diese Daten erhält. Wenn man eine Rc<T> hat, das eine RefCell<T> enthält, kann man einen Wert erhalten, der mehrere Eigentümer hat und veränderbar ist!

Erinnern wir uns beispielsweise an die Cons-Liste in Codeblock 15-18, in dem wir Rc<T> verwendet haben, um mehreren Listen die gemeinsame Nutzung einer anderen Liste zu ermöglichen. Da Rc<T> nur unveränderbare Werte enthält, können wir keinen der Werte in der Liste ändern, sobald wir sie erstellt haben. Fügen wir RefCell<T> hinzu, um die Werte in den Listen ändern zu können. Codeblock 15-24 zeigt, dass wir durch Verwendung einer RefCell<T> in der Cons-Definition den in allen Listen gespeicherten Wert ändern können:

Dateiname: src/main.rs

#[derive(Debug)]
enum List {
    Cons(Rc<RefCell<i32>>, Rc<List>),
    Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

fn main() {
    let value = Rc::new(RefCell::new(5));

    let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil)));

    let b = Cons(Rc::new(RefCell::new(3)), Rc::clone(&a));
    let c = Cons(Rc::new(RefCell::new(4)), Rc::clone(&a));

    *value.borrow_mut() += 10;

    println!("a nachher = {a:?}");
    println!("b nachher = {b:?}");
    println!("c nachher = {c:?}");
}

Codeblock 15-24: Verwenden von Rc<RefCell<i32>> um List zu erstellen, die wir verändern können

Wir erstellen einen Wert, der eine Instanz von Rc<RefCell<i32>> ist, und speichern ihn dann in einer Variable mit dem Namen value, damit wir später direkt darauf zugreifen können. Dann erstellen wir eine Liste a mit einer Cons-Variante, die value enthält. Wir müssen value klonen, damit sowohl a als auch value die Eigentümerschaft am inneren Wert 5 haben, anstatt die Eigentümerschaft von value auf a zu übertragen oder a von value auszuleihen.

Wir wickeln die Liste a in ein Rc<T> ein. Wenn wir also die Listen b und c erstellen, können beide auf a verweisen, was wir in Codeblock 15-18 getan haben.

Nachdem wir die Listen a, b und c erstellt haben, wollen wir 10 zum Wert in value addieren. Dazu rufen wir borrow_mut für value auf, die die automatische Dereferenzierung verwendet, die wir in „Wo ist der Operator ->?“ besprochen haben, um Rc<T> auf den inneren RefCell<T>-Wert zu dereferenzieren. Die Methode borrow_mut gibt einen intelligenten Zeiger RefMut<T> zurück, und wir verwenden den Dereferenzierungsoperator darauf und ändern den inneren Wert.

Wenn wir a, b und c ausgeben, können wir sehen, dass sie alle den veränderten Wert 15 anstelle von 5 haben:

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.63s
     Running `target/debug/cons-list`
a nachher = Cons(RefCell { value: 15 }, Nil)
b nachher = Cons(RefCell { value: 3 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))
c nachher = Cons(RefCell { value: 4 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))

Diese Technik ist ganz ordentlich! Durch die Verwendung von RefCell<T> haben wir einen nach außen unveränderbaren List-Wert. Wir können jedoch die Methoden für RefCell<T> verwenden, die den Zugriff auf die innere Veränderbarkeit ermöglichen, damit wir unsere Daten bei Bedarf ändern können. Die Laufzeitprüfungen der Ausleihregeln schützen uns vor Daten-Wettlaufsituationen (data races), und manchmal lohnt es sich, ein wenig Geschwindigkeit für diese Flexibilität in unseren Datenstrukturen einzutauschen. Beachte, dass RefCell<T> nicht bei nebenläufigem Code funktioniert! Mutex<T> ist die Strang-sichere (thread-safe) Version von RefCell<T> und wir werden Mutex<T> in Kapitel 16 besprechen.

Die Programmiersprache Rust