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[rust.git] / src / libcore / cell.rs
1 // Copyright 2012-2013 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
2 // file at the top-level directory of this distribution and at
3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
4 //
5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
9 // except according to those terms.
10
11 //! Shareable mutable containers.
12 //!
13 //! Values of the `Cell` and `RefCell` types may be mutated through
14 //! shared references (i.e. the common `&T` type), whereas most Rust
15 //! types can only be mutated through unique (`&mut T`) references. We
16 //! say that `Cell` and `RefCell` provide *interior mutability*, in
17 //! contrast with typical Rust types that exhibit *inherited
18 //! mutability*.
19 //!
20 //! Cell types come in two flavors: `Cell` and `RefCell`. `Cell`
21 //! provides `get` and `set` methods that change the
22 //! interior value with a single method call. `Cell` though is only
23 //! compatible with types that implement `Copy`. For other types,
24 //! one must use the `RefCell` type, acquiring a write lock before
25 //! mutating.
26 //!
27 //! `RefCell` uses Rust's lifetimes to implement *dynamic borrowing*,
28 //! a process whereby one can claim temporary, exclusive, mutable
29 //! access to the inner value. Borrows for `RefCell`s are tracked *at
30 //! runtime*, unlike Rust's native reference types which are entirely
31 //! tracked statically, at compile time. Because `RefCell` borrows are
32 //! dynamic it is possible to attempt to borrow a value that is
33 //! already mutably borrowed; when this happens it results in task
34 //! panic.
35 //!
36 //! # When to choose interior mutability
37 //!
38 //! The more common inherited mutability, where one must have unique
39 //! access to mutate a value, is one of the key language elements that
40 //! enables Rust to reason strongly about pointer aliasing, statically
41 //! preventing crash bugs. Because of that, inherited mutability is
42 //! preferred, and interior mutability is something of a last
43 //! resort. Since cell types enable mutation where it would otherwise
44 //! be disallowed though, there are occasions when interior
45 //! mutability might be appropriate, or even *must* be used, e.g.
46 //!
47 //! * Introducing inherited mutability roots to shared types.
48 //! * Implementation details of logically-immutable methods.
49 //! * Mutating implementations of `clone`.
50 //!
51 //! ## Introducing inherited mutability roots to shared types
52 //!
53 //! Shared smart pointer types, including `Rc` and `Arc`, provide
54 //! containers that can be cloned and shared between multiple parties.
55 //! Because the contained values may be multiply-aliased, they can
56 //! only be borrowed as shared references, not mutable references.
57 //! Without cells it would be impossible to mutate data inside of
58 //! shared boxes at all!
59 //!
60 //! It's very common then to put a `RefCell` inside shared pointer
61 //! types to reintroduce mutability:
62 //!
63 //! ```
64 //! use std::collections::HashMap;
65 //! use std::cell::RefCell;
66 //! use std::rc::Rc;
67 //!
68 //! fn main() {
69 //!     let shared_map: Rc<RefCell<_>> = Rc::new(RefCell::new(HashMap::new()));
70 //!     shared_map.borrow_mut().insert("africa", 92388i);
71 //!     shared_map.borrow_mut().insert("kyoto", 11837i);
72 //!     shared_map.borrow_mut().insert("piccadilly", 11826i);
73 //!     shared_map.borrow_mut().insert("marbles", 38i);
74 //! }
75 //! ```
76 //!
77 //! ## Implementation details of logically-immutable methods
78 //!
79 //! Occasionally it may be desirable not to expose in an API that
80 //! there is mutation happening "under the hood". This may be because
81 //! logically the operation is immutable, but e.g. caching forces the
82 //! implementation to perform mutation; or because you must employ
83 //! mutation to implement a trait method that was originally defined
84 //! to take `&self`.
85 //!
86 //! ```
87 //! use std::cell::RefCell;
88 //!
89 //! struct Graph {
90 //!     edges: Vec<(uint, uint)>,
91 //!     span_tree_cache: RefCell<Option<Vec<(uint, uint)>>>
92 //! }
93 //!
94 //! impl Graph {
95 //!     fn minimum_spanning_tree(&self) -> Vec<(uint, uint)> {
96 //!         // Create a new scope to contain the lifetime of the
97 //!         // dynamic borrow
98 //!         {
99 //!             // Take a reference to the inside of cache cell
100 //!             let mut cache = self.span_tree_cache.borrow_mut();
101 //!             if cache.is_some() {
102 //!                 return cache.as_ref().unwrap().clone();
103 //!             }
104 //!
105 //!             let span_tree = self.calc_span_tree();
106 //!             *cache = Some(span_tree);
107 //!         }
108 //!
109 //!         // Recursive call to return the just-cached value.
110 //!         // Note that if we had not let the previous borrow
111 //!         // of the cache fall out of scope then the subsequent
112 //!         // recursive borrow would cause a dynamic task panic.
113 //!         // This is the major hazard of using `RefCell`.
114 //!         self.minimum_spanning_tree()
115 //!     }
116 //! #   fn calc_span_tree(&self) -> Vec<(uint, uint)> { vec![] }
117 //! }
118 //! # fn main() { }
119 //! ```
120 //!
121 //! ## Mutating implementations of `clone`
122 //!
123 //! This is simply a special - but common - case of the previous:
124 //! hiding mutability for operations that appear to be immutable.
125 //! The `clone` method is expected to not change the source value, and
126 //! is declared to take `&self`, not `&mut self`. Therefore any
127 //! mutation that happens in the `clone` method must use cell
128 //! types. For example, `Rc` maintains its reference counts within a
129 //! `Cell`.
130 //!
131 //! ```
132 //! use std::cell::Cell;
133 //!
134 //! struct Rc<T> {
135 //!     ptr: *mut RcBox<T>
136 //! }
137 //!
138 //! struct RcBox<T> {
139 //!     value: T,
140 //!     refcount: Cell<uint>
141 //! }
142 //!
143 //! impl<T> Clone for Rc<T> {
144 //!     fn clone(&self) -> Rc<T> {
145 //!         unsafe {
146 //!             (*self.ptr).refcount.set((*self.ptr).refcount.get() + 1);
147 //!             Rc { ptr: self.ptr }
148 //!         }
149 //!     }
150 //! }
151 //! ```
152 //!
153 // FIXME: Explain difference between Cell and RefCell
154 // FIXME: Downsides to interior mutability
155 // FIXME: Can't be shared between threads. Dynamic borrows
156 // FIXME: Relationship to Atomic types and RWLock
157
158 use clone::Clone;
159 use cmp::PartialEq;
160 use default::Default;
161 use kinds::{marker, Copy};
162 use ops::{Deref, DerefMut, Drop};
163 use option::{None, Option, Some};
164
165 /// A mutable memory location that admits only `Copy` data.
166 #[unstable = "likely to be renamed; otherwise stable"]
167 pub struct Cell<T> {
168     value: UnsafeCell<T>,
169     noshare: marker::NoSync,
170 }
171
172 impl<T:Copy> Cell<T> {
173     /// Creates a new `Cell` containing the given value.
174     #[stable]
175     pub fn new(value: T) -> Cell<T> {
176         Cell {
177             value: UnsafeCell::new(value),
178             noshare: marker::NoSync,
179         }
180     }
181
182     /// Returns a copy of the contained value.
183     #[inline]
184     #[stable]
185     pub fn get(&self) -> T {
186         unsafe{ *self.value.get() }
187     }
188
189     /// Sets the contained value.
190     #[inline]
191     #[stable]
192     pub fn set(&self, value: T) {
193         unsafe {
194             *self.value.get() = value;
195         }
196     }
197
198     /// Get a reference to the underlying `UnsafeCell`.
199     ///
200     /// This can be used to circumvent `Cell`'s safety checks.
201     ///
202     /// This function is `unsafe` because `UnsafeCell`'s field is public.
203     #[inline]
204     #[experimental]
205     pub unsafe fn as_unsafe_cell<'a>(&'a self) -> &'a UnsafeCell<T> {
206         &self.value
207     }
208 }
209
210 #[unstable = "waiting for `Clone` trait to become stable"]
211 impl<T:Copy> Clone for Cell<T> {
212     fn clone(&self) -> Cell<T> {
213         Cell::new(self.get())
214     }
215 }
216
217 #[unstable]
218 impl<T:Default + Copy> Default for Cell<T> {
219     fn default() -> Cell<T> {
220         Cell::new(Default::default())
221     }
222 }
223
224 #[unstable = "waiting for `PartialEq` trait to become stable"]
225 impl<T:PartialEq + Copy> PartialEq for Cell<T> {
226     fn eq(&self, other: &Cell<T>) -> bool {
227         self.get() == other.get()
228     }
229 }
230
231 /// A mutable memory location with dynamically checked borrow rules
232 #[unstable = "likely to be renamed; otherwise stable"]
233 pub struct RefCell<T> {
234     value: UnsafeCell<T>,
235     borrow: Cell<BorrowFlag>,
236     nocopy: marker::NoCopy,
237     noshare: marker::NoSync,
238 }
239
240 // Values [1, MAX-1] represent the number of `Ref` active
241 // (will not outgrow its range since `uint` is the size of the address space)
242 type BorrowFlag = uint;
243 const UNUSED: BorrowFlag = 0;
244 const WRITING: BorrowFlag = -1;
245
246 impl<T> RefCell<T> {
247     /// Create a new `RefCell` containing `value`
248     #[stable]
249     pub fn new(value: T) -> RefCell<T> {
250         RefCell {
251             value: UnsafeCell::new(value),
252             borrow: Cell::new(UNUSED),
253             nocopy: marker::NoCopy,
254             noshare: marker::NoSync,
255         }
256     }
257
258     /// Consumes the `RefCell`, returning the wrapped value.
259     #[unstable = "may be renamed, depending on global conventions"]
260     pub fn unwrap(self) -> T {
261         // Since this function takes `self` (the `RefCell`) by value, the
262         // compiler statically verifies that it is not currently borrowed.
263         // Therefore the following assertion is just a `debug_assert!`.
264         debug_assert!(self.borrow.get() == UNUSED);
265         unsafe{self.value.unwrap()}
266     }
267
268     /// Attempts to immutably borrow the wrapped value.
269     ///
270     /// The borrow lasts until the returned `Ref` exits scope. Multiple
271     /// immutable borrows can be taken out at the same time.
272     ///
273     /// Returns `None` if the value is currently mutably borrowed.
274     #[unstable = "may be renamed, depending on global conventions"]
275     pub fn try_borrow<'a>(&'a self) -> Option<Ref<'a, T>> {
276         match self.borrow.get() {
277             WRITING => None,
278             borrow => {
279                 self.borrow.set(borrow + 1);
280                 Some(Ref { _parent: self })
281             }
282         }
283     }
284
285     /// Immutably borrows the wrapped value.
286     ///
287     /// The borrow lasts until the returned `Ref` exits scope. Multiple
288     /// immutable borrows can be taken out at the same time.
289     ///
290     /// # Panics
291     ///
292     /// Panics if the value is currently mutably borrowed.
293     #[unstable]
294     pub fn borrow<'a>(&'a self) -> Ref<'a, T> {
295         match self.try_borrow() {
296             Some(ptr) => ptr,
297             None => panic!("RefCell<T> already mutably borrowed")
298         }
299     }
300
301     /// Mutably borrows the wrapped value.
302     ///
303     /// The borrow lasts until the returned `RefMut` exits scope. The value
304     /// cannot be borrowed while this borrow is active.
305     ///
306     /// Returns `None` if the value is currently borrowed.
307     #[unstable = "may be renamed, depending on global conventions"]
308     pub fn try_borrow_mut<'a>(&'a self) -> Option<RefMut<'a, T>> {
309         match self.borrow.get() {
310             UNUSED => {
311                 self.borrow.set(WRITING);
312                 Some(RefMut { _parent: self })
313             },
314             _ => None
315         }
316     }
317
318     /// Mutably borrows the wrapped value.
319     ///
320     /// The borrow lasts until the returned `RefMut` exits scope. The value
321     /// cannot be borrowed while this borrow is active.
322     ///
323     /// # Panics
324     ///
325     /// Panics if the value is currently borrowed.
326     #[unstable]
327     pub fn borrow_mut<'a>(&'a self) -> RefMut<'a, T> {
328         match self.try_borrow_mut() {
329             Some(ptr) => ptr,
330             None => panic!("RefCell<T> already borrowed")
331         }
332     }
333
334     /// Get a reference to the underlying `UnsafeCell`.
335     ///
336     /// This can be used to circumvent `RefCell`'s safety checks.
337     ///
338     /// This function is `unsafe` because `UnsafeCell`'s field is public.
339     #[inline]
340     #[experimental]
341     pub unsafe fn as_unsafe_cell<'a>(&'a self) -> &'a UnsafeCell<T> {
342         &self.value
343     }
344 }
345
346 #[unstable = "waiting for `Clone` to become stable"]
347 impl<T: Clone> Clone for RefCell<T> {
348     fn clone(&self) -> RefCell<T> {
349         RefCell::new(self.borrow().clone())
350     }
351 }
352
353 #[unstable]
354 impl<T:Default> Default for RefCell<T> {
355     fn default() -> RefCell<T> {
356         RefCell::new(Default::default())
357     }
358 }
359
360 #[unstable = "waiting for `PartialEq` to become stable"]
361 impl<T: PartialEq> PartialEq for RefCell<T> {
362     fn eq(&self, other: &RefCell<T>) -> bool {
363         *self.borrow() == *other.borrow()
364     }
365 }
366
367 /// Wraps a borrowed reference to a value in a `RefCell` box.
368 #[unstable]
369 pub struct Ref<'b, T:'b> {
370     // FIXME #12808: strange name to try to avoid interfering with
371     // field accesses of the contained type via Deref
372     _parent: &'b RefCell<T>
373 }
374
375 #[unsafe_destructor]
376 #[unstable]
377 impl<'b, T> Drop for Ref<'b, T> {
378     fn drop(&mut self) {
379         let borrow = self._parent.borrow.get();
380         debug_assert!(borrow != WRITING && borrow != UNUSED);
381         self._parent.borrow.set(borrow - 1);
382     }
383 }
384
385 #[unstable = "waiting for `Deref` to become stable"]
386 impl<'b, T> Deref<T> for Ref<'b, T> {
387     #[inline]
388     fn deref<'a>(&'a self) -> &'a T {
389         unsafe { &*self._parent.value.get() }
390     }
391 }
392
393 /// Copy a `Ref`.
394 ///
395 /// The `RefCell` is already immutably borrowed, so this cannot fail.
396 ///
397 /// A `Clone` implementation would interfere with the widespread
398 /// use of `r.borrow().clone()` to clone the contents of a `RefCell`.
399 #[experimental = "likely to be moved to a method, pending language changes"]
400 pub fn clone_ref<'b, T>(orig: &Ref<'b, T>) -> Ref<'b, T> {
401     // Since this Ref exists, we know the borrow flag
402     // is not set to WRITING.
403     let borrow = orig._parent.borrow.get();
404     debug_assert!(borrow != WRITING && borrow != UNUSED);
405     orig._parent.borrow.set(borrow + 1);
406
407     Ref {
408         _parent: orig._parent,
409     }
410 }
411
412 /// Wraps a mutable borrowed reference to a value in a `RefCell` box.
413 #[unstable]
414 pub struct RefMut<'b, T:'b> {
415     // FIXME #12808: strange name to try to avoid interfering with
416     // field accesses of the contained type via Deref
417     _parent: &'b RefCell<T>
418 }
419
420 #[unsafe_destructor]
421 #[unstable]
422 impl<'b, T> Drop for RefMut<'b, T> {
423     fn drop(&mut self) {
424         let borrow = self._parent.borrow.get();
425         debug_assert!(borrow == WRITING);
426         self._parent.borrow.set(UNUSED);
427     }
428 }
429
430 #[unstable = "waiting for `Deref` to become stable"]
431 impl<'b, T> Deref<T> for RefMut<'b, T> {
432     #[inline]
433     fn deref<'a>(&'a self) -> &'a T {
434         unsafe { &*self._parent.value.get() }
435     }
436 }
437
438 #[unstable = "waiting for `DerefMut` to become stable"]
439 impl<'b, T> DerefMut<T> for RefMut<'b, T> {
440     #[inline]
441     fn deref_mut<'a>(&'a mut self) -> &'a mut T {
442         unsafe { &mut *self._parent.value.get() }
443     }
444 }
445
446 /// The core primitive for interior mutability in Rust.
447 ///
448 /// `UnsafeCell` type that wraps a type T and indicates unsafe interior
449 /// operations on the wrapped type. Types with an `UnsafeCell<T>` field are
450 /// considered to have an *unsafe interior*. The `UnsafeCell` type is the only
451 /// legal way to obtain aliasable data that is considered mutable. In general,
452 /// transmuting an &T type into an &mut T is considered undefined behavior.
453 ///
454 /// Although it is possible to put an `UnsafeCell<T>` into static item, it is
455 /// not permitted to take the address of the static item if the item is not
456 /// declared as mutable. This rule exists because immutable static items are
457 /// stored in read-only memory, and thus any attempt to mutate their interior
458 /// can cause segfaults. Immutable static items containing `UnsafeCell<T>`
459 /// instances are still useful as read-only initializers, however, so we do not
460 /// forbid them altogether.
461 ///
462 /// Types like `Cell` and `RefCell` use this type to wrap their internal data.
463 ///
464 /// `UnsafeCell` doesn't opt-out from any kind, instead, types with an
465 /// `UnsafeCell` interior are expected to opt-out from kinds themselves.
466 ///
467 /// # Example:
468 ///
469 /// ```rust
470 /// use std::cell::UnsafeCell;
471 /// use std::kinds::marker;
472 ///
473 /// struct NotThreadSafe<T> {
474 ///     value: UnsafeCell<T>,
475 ///     marker: marker::NoSync
476 /// }
477 /// ```
478 ///
479 /// **NOTE:** `UnsafeCell<T>` fields are public to allow static initializers. It
480 /// is not recommended to access its fields directly, `get` should be used
481 /// instead.
482 #[lang="unsafe"]
483 #[unstable = "this type may be renamed in the future"]
484 pub struct UnsafeCell<T> {
485     /// Wrapped value
486     ///
487     /// This field should not be accessed directly, it is made public for static
488     /// initializers.
489     #[unstable]
490     pub value: T,
491 }
492
493 impl<T> UnsafeCell<T> {
494     /// Construct a new instance of `UnsafeCell` which will wrap the specified
495     /// value.
496     ///
497     /// All access to the inner value through methods is `unsafe`, and it is
498     /// highly discouraged to access the fields directly.
499     #[stable]
500     pub fn new(value: T) -> UnsafeCell<T> {
501         UnsafeCell { value: value }
502     }
503
504     /// Gets a mutable pointer to the wrapped value.
505     ///
506     /// This function is unsafe as the pointer returned is an unsafe pointer and
507     /// no guarantees are made about the aliasing of the pointers being handed
508     /// out in this or other tasks.
509     #[inline]
510     #[unstable = "conventions around acquiring an inner reference are still \
511                   under development"]
512     pub unsafe fn get(&self) -> *mut T { &self.value as *const T as *mut T }
513
514     /// Unwraps the value
515     ///
516     /// This function is unsafe because there is no guarantee that this or other
517     /// tasks are currently inspecting the inner value.
518     #[inline]
519     #[unstable = "conventions around the name `unwrap` are still under \
520                   development"]
521     pub unsafe fn unwrap(self) -> T { self.value }
522 }