Rust：修改 HashMap 中的值，同时不可变地借用整个 HashMap

Question

我正在尝试通过在我的项目中使用 Rust 来学习它。 但是，我在一些与以下形式非常相似的代码中一直在努力使用借用检查器：

use std::collections::HashMap;
use std::pin::Pin;
use std::vec::Vec;

struct MyStruct<'a> {
    value: i32,
    substructs: Option<Vec<Pin<&'a MyStruct<'a>>>>,
}

struct Toplevel<'a> {
    my_structs: HashMap<String, Pin<Box<MyStruct<'a>>>>,
}

fn main() {
    let mut toplevel = Toplevel {
        my_structs: HashMap::new(),
    };

    // First pass: add the elements to the HashMap
    toplevel.my_structs.insert(
        "abc".into(),
        Pin::new(Box::new(MyStruct {
            value: 0,
            substructs: None,
        })),
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "def".into(),
        Pin::new(Box::new(MyStruct {
            value: 5,
            substructs: None,
        })),
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "ghi".into(),
        Pin::new(Box::new(MyStruct {
            value: -7,
            substructs: None,
        })),
    );

    // Second pass: for each MyStruct, add substructs
    let subs = vec![
        toplevel.my_structs.get("abc").unwrap().as_ref(),
        toplevel.my_structs.get("def").unwrap().as_ref(),
        toplevel.my_structs.get("ghi").unwrap().as_ref(),
    ];
    toplevel.my_structs.get_mut("abc").unwrap().substructs = Some(subs);
}

编译时，我收到以下消息：

error[E0502]: cannot borrow `toplevel.my_structs` as mutable because it is also borrowed as immutable
  --> src/main.rs:48:5
   |
44 |         toplevel.my_structs.get("abc").unwrap().as_ref(),
   |         ------------------- immutable borrow occurs here
...
48 |     toplevel.my_structs.get_mut("abc").unwrap().substructs = Some(subs);
   |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^--------------------
   |     |
   |     mutable borrow occurs here
   |     immutable borrow later used here

我想我明白为什么会发生这种情况：toplevel.my_structs.get_mut(...) 借用 toplevel.my_structs 为可变的。然而，在同一个区块中，toplevel.my_structs.get(...) 也借用了toplevel.my_structs（尽管这次是不可变的）。

我还看到如果借用 &mut toplevel.my_structs 的函数添加一个新密钥，这确实会成为一个问题。

但是，在&mut toplevel.my_structs 借用中所做的只是修改与特定键对应的值，这不应该改变内存布局（这是有保证的，感谢Pin）。对吧？

有没有办法将它传达给编译器，以便我可以编译这段代码？这似乎有点类似于激发hashmap::Entry API 的原因，但我还需要能够访问其他密钥，而不仅仅是我想要修改的那个。

Answer 1

您当前的问题是关于可变和不可变借用的冲突，但这里有一个更深层次的问题。此数据结构无法适用于您正在尝试做的事情：

struct MyStruct<'a> {
    value: i32,
    substructs: Option<Vec<Pin<&'a MyStruct<'a>>>>,
}

struct Toplevel<'a> {
    my_structs: HashMap<String, Pin<Box<MyStruct<'a>>>>,
}

任何时候一个类型有一个生命周期参数，这个生命周期必然比该类型的值长（或完全一样长）。包含引用 &'a MyStruct 的容器 Toplevel<'a> 必须引用 MyStructs 在 Toplevel 之前创建 - 除非您使用像 an arena allocator 这样的特殊工具。

（可以直接构建引用树，但必须先构建叶子，而不是使用递归算法；这对于动态输入数据通常是不切实际的。）

一般来说，引用并不真正适合创建数据结构；而是它们暂时“借用”数据结构的一部分。

在您的情况下，如果您想要拥有所有 MyStructs 的集合，并且还能够在它们之间添加连接它们被创建，您需要 共享所有权和内部可变性：

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

struct MyStruct {
    value: i32,
    substructs: Option<Vec<Rc<RefCell<MyStruct>>>>,
}

struct Toplevel {
    my_structs: HashMap<String, Rc<RefCell<MyStruct>>>,
}

通过Rc 共享所有权允许Toplevel 和任意数量的MyStructs 引用其他MyStructs。通过RefCell 实现的内部可变性允许修改MyStruct 的substructs 字段，即使它被整个数据结构的其他元素引用。

根据这些定义，您可以编写您想要的代码：

fn main() {
    let mut toplevel = Toplevel {
        my_structs: HashMap::new(),
    };

    // First pass: add the elements to the HashMap
    toplevel.my_structs.insert(
        "abc".into(),
        Rc::new(RefCell::new(MyStruct {
            value: 0,
            substructs: None,
        })),
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "def".into(),
        Rc::new(RefCell::new(MyStruct {
            value: 5,
            substructs: None,
        })),
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "ghi".into(),
        Rc::new(RefCell::new(MyStruct {
            value: -7,
            substructs: None,
        })),
    );

    // Second pass: for each MyStruct, add substructs
    let subs = vec![
        toplevel.my_structs["abc"].clone(),
        toplevel.my_structs["def"].clone(),
        toplevel.my_structs["ghi"].clone(),
    ];
    toplevel.my_structs["abc"].borrow_mut().substructs = Some(subs);
}

请注意，因为您让"abc" 引用自身，这会创建一个引用循环，当Toplevel 被删除时，该循环不会被释放。要解决此问题，您可以 impl Drop for Toplevel 并明确删除所有 substructs 引用。

---

另一种选择，可以说更“生锈”是只使用索引进行交叉引用。这有几个优点和缺点：

• 增加额外哈希查找的成本。
• 消除了引用计数和内部可变性的成本。
• 可以有“悬空引用”：可以从映射中删除一个键，使对它的引用无效。

use std::collections::HashMap;

struct MyStruct {
    value: i32,
    substructs: Option<Vec<String>>,
}

struct Toplevel {
    my_structs: HashMap<String, MyStruct>,
}

fn main() {
    let mut toplevel = Toplevel {
        my_structs: HashMap::new(),
    };

    // First pass: add the elements to the HashMap
    toplevel.my_structs.insert(
        "abc".into(),
        MyStruct {
            value: 0,
            substructs: None,
        },
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "def".into(),
        MyStruct {
            value: 5,
            substructs: None,
        },
    );
    toplevel.my_structs.insert(
        "ghi".into(),
        MyStruct {
            value: -7,
            substructs: None,
        },
    );

    // Second pass: for each MyStruct, add substructs
    toplevel.my_structs.get_mut("abc").unwrap().substructs =
        Some(vec!["abc".into(), "def".into(), "ghi".into()]);
}

Answer 2

在您的代码中，您试图将向量中引用的值修改为不可变的，这是不允许的。您可以将可变引用存储在向量中，然后直接对其进行变异，如下所示：

let subs = vec![
    toplevel.my_structs.get_mut("abc").unwrap(),
    toplevel.my_structs.get_mut("def").unwrap(),
    toplevel.my_structs.get_mut("ghi").unwrap(),
];
(*subs[0]).substructs = Some(subs.clone());

但是，存储结构的克隆而不是引用更容易（尽管成本更高）：

let subs = vec![
    toplevel.my_structs.get("abc").unwrap().clone(),
    toplevel.my_structs.get("def").unwrap().clone(),
    toplevel.my_structs.get("ghi").unwrap().clone(),
];
(*toplevel.my_structs.get_mut("abc").unwrap()).substructs = Some(subs);