单线程Rust应用中可变共享状态的RefCell与Arena替代方案探寻

需求背景 #

开发单线程Rust应用，需管理可变共享状态，核心要求是保留Rust编译时安全检查优势，同时避免RefCell带来的运行时恐慌。

尝试过的方案与问题 #

方案1：基于索引的Arena内存分配 #

• 思路：通过Arena进行内存分配，用索引引用数据
• 问题：对Arena中数据的可变访问要求独占Arena的引用权限，这和需要维持数据结构内元素引用的需求冲突，尤其是处理带变体特定模式的枚举类型时，场景会变得异常复杂。

方案2：Rc+Weak引用计数组合 #

• 思路：通过引用计数实现共享所有权
• 顾虑：要实现可变访问必须配合RefCell，这会把大量检查转移到运行时，引入恐慌风险，违背了保留编译时安全保证的目标。

当前临时解决方案 #

使用crossbeam的SkipMap替代常规的BTreeMap或HashMap，代码实现如下：

pub struct Arena<T> {
    data: SkipMap<usize, T>,
    next_id: Cell<usize>,
}

impl<T: Send + 'static> Arena<T> {
    pub fn new() -> Arena<T> {
        Arena {
            data: Default::default(),
            next_id: Cell::new(1),
        }
    }

    pub fn insert(&self, value: T) -> usize {
        // IF, IN OTHER IMPLEMENTATIONS, I WOULD INSERT A REFCELL HERE WHILE HOLDING AN ALIASING BORROW TO AN ELEMENT, PROGRAM PANICS
        let id = self.next_id.get();
        self.next_id.set(id + 1);
        self.data.insert(id, value);
        id
    }

    pub fn get(&self, id: usize) -> Option<impl std::ops::Deref<Target = T> + '_> {
        struct Dummy<'a, K, V> (Entry<'a, K, V>);
        impl<'a, K, V> Deref for Dummy<'a, K, V> {
            type Target = V;
            fn deref(&self) -> &V {
                self.0.value()
            }
        }
        self.data.get(&id).map(|entry| Dummy(entry))
    }
}

该方案虽能运行，但存在明显弊端：

• 引入Send + 'static约束，限制了可存储类型的范围
• 并发数据结构专为多线程场景设计，单线程下会产生不必要的开销，比如原子操作、基于epoch的回收机制
• 尝试过DashMap等其他并发映射，因底层锁机制出现死锁问题，本质和RefCell的恐慌风险类似，只是把恐慌风险转化为死锁风险。

核心问题 #

1. 是否存在适配上述需求的Rust替代策略或数据结构？
2. 如何实现一个无需独占借用、也不需要RefCell运行时检查，就能对元素进行可变访问的Arena？
3. 是否有针对单线程环境优化的无锁映射可用？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jhowa