我应该如何重组我的图形代码以避免“不能一次多次借用变量作为可变变量”错误？

Question

我有一个成功编译的简单图表：

use std::collections::HashMap;

type Key = usize;
type Weight = usize;

#[derive(Debug)]
pub struct Node<T> {
    key: Key,
    value: T,
}
impl<T> Node<T> {
    fn new(key: Key, value: T) -> Self {
        Node {
            key: key,
            value: value,
        }
    }
}

#[derive(Debug)]
pub struct Graph<T> {
    map: HashMap<Key, HashMap<Key, Weight>>,
    list: HashMap<Key, Node<T>>,
    next_key: Key,
}
impl<T> Graph<T> {
    pub fn new() -> Self {
        Graph {
            map: HashMap::new(),
            list: HashMap::new(),
            next_key: 0,
        }
    }
    pub fn add_node(&mut self, value: T) -> &Node<T> {
        let node = self.create_node(value);
        node
    }

    fn create_node(&mut self, value: T) -> &Node<T> {
        let key = self.get_next_key();
        let node = Node::new(key, value);
        self.list.insert(key, node);
        self.map.insert(key, HashMap::new());
        self.list.get(&key).unwrap()
    }

    fn get_next_key(&mut self) -> Key {
        let key = self.next_key;
        self.next_key += 1;
        key
    }
}

但是使用时编译失败：

fn main() {
    let mut graph = Graph::<i32>::new();
    let n1 = graph.add_node(111);
    let n2 = graph.add_node(222);
}

错误：

error[E0499]: cannot borrow `graph` as mutable more than once at a time
  --> src/main.rs:57:14
   |
56 |     let n1 = graph.add_node(111);
   |              ----- first mutable borrow occurs here
57 |     let n2 = graph.add_node(222);
   |              ^^^^^ second mutable borrow occurs here
58 | }
   | - first borrow ends here

我见过所有类似的问题。我知道这是失败的，因为方法Graph::add_node() 使用&mut self。在所有类似的问题中，一般的答案是“重组你的代码”。我不明白我该怎么办？我应该如何重构这段代码？

Answer 1

通过从add_node 返回&Node<T>，您实际上锁定了整个Graph<T> 对象，因为您是从它借用的。并且有充分的理由；尝试运行这个main:

fn main() {
    let mut graph = Graph::<i32>::new();
    let n1 = graph.add_node(111) as *const _;
    let mut inserts = 0;
    loop {
        inserts += 1;
        graph.add_node(222);
        let n1bis = graph.list.get(&0).unwrap() as *const _;
        if n1 != n1bis {
            println!("{:p} {:p} ({} inserts)", n1, n1bis, inserts);
            break;
        }
    }
}

这是该程序可能的输出：

0x7f86c6c302e0 0x7f86c6c3a6e0 (29 inserts)

该程序添加第一个节点并将其地址存储为原始指针（原始指针没有生命周期参数，因此Graph 上的借用被释放）。然后，它一次添加一个节点，然后再次获取第一个节点的地址。如果第一个节点的地址发生了变化，它会打印两个地址以及插入到图中的其他节点的数量。

HashMap 使用随机散列，因此每次执行时插入的数量会有所不同。但是，它将最终需要重新分配内存以存储更多条目，因此最终，映射中节点的地址会发生变化。如果您在发生这种情况后尝试取消引用旧指针（例如 n1），那么您将访问已释放的内存，这可能会返回垃圾数据或导致错误（通常是分段错误）。

知道了这一切，应该清楚add_node 不应该返回&Node<T>。以下是一些替代方案：

• 使add_node 不返回任何内容，或者返回Key，并提供一个单独的方法来获取给定密钥的&Node<T>。
• 将您的节点包装在Rc<T> 或Arc<T> 中。也就是说，list 不是HashMap<Key, Node<T>>，而是HashMap<Key, Rc<Node<T>>>。您可以通过clone() 和Rc 或Arc 复制指针并增加引用计数；将一个副本存储在HashMap 并从add_node 返回另一个副本。
  • 如果您还需要改变节点同时保留改变图形的能力，您可能需要将Rc 与RefCell 或Arc 与Mutex 结合使用。

Answer 2

我使用std::rc::Rc解决了问题：

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

type Key = usize;
type Weight = usize;

#[derive(Debug)]
pub struct Node<T> {
    key: Key,
    value: T,
}
impl<T> Node<T> {
    fn new(key: Key, value: T) -> Self {
        Node {
            key: key,
            value: value,
        }
    }
}

#[derive(Debug)]
pub struct Graph<T> {
    map: HashMap<Key, HashMap<Key, Weight>>,
    list: HashMap<Key, Rc<Node<T>>>, // <-- Changed
    next_key: Key,
}
impl<T> Graph<T> {
    pub fn new() -> Self {
        Graph {
            map: HashMap::new(),
            list: HashMap::new(),
            next_key: 0,
        }
    }

    pub fn add_node(&mut self, value: T) -> Rc<Node<T>> {
        // <-- Changed
        let key = self.get_next_key();
        let node = Rc::new(Node::new(key, value)); // <-- Changed
        self.list.insert(key, node.clone()); // <-- Changed
        self.map.insert(key, HashMap::new());
        node
    }

    fn get_next_key(&mut self) -> Key {
        let key = self.next_key;
        self.next_key += 1;
        key
    }
}

fn main() {
    let mut graph = Graph::<i32>::new();
    let n1 = graph.add_node(111);
    let n2 = graph.add_node(222);
}