如何在Rust中创建自引用抽象语法树（AST）？

问题背景 #

我们有一个极简编程语言的AST结构，仅包含函数和调用定义：

use std::sync::Arc;

struct Function {
    pub body: Vec<Call>
}

struct Call {
    pub function: Arc<Function> 
}

尝试实现函数递归调用时，常规写法都会失败：

1. 直接初始化时无法引用未创建的Arc：

let f = Arc::new(Function { body: vec![Call {function: f.clone()}] }) 
// 报错：使用了未初始化的变量f

2. 先创建空Arc再修改内容也不可行，因为Arc包裹的数据默认不可变：

let mut f = Arc::new(Function { body: vec![] });
f.body.push(Call { function: f.clone() })
// 报错：无法修改Arc中的不可变数据

现有方案是用Arc<RwLock<_>>或Arc<Mutex<_>>包裹Function：

use std::sync::{Arc, RwLock};

struct Call {
    pub function: Arc<RwLock<Function>> 
}

创建递归实例的代码如下：

let f = Arc::new(RwLock::new(Function { body: vec![] }));
f.write().unwrap().body.push(Call { function: f.clone() })

但这个方案的痛点很明显：即使仅在构造阶段需要可变操作，后续所有访问都必须通过read()/write()加锁解锁，不仅代码冗余，还会带来不必要的运行时开销。

更优解决方案：利用一次性/惰性初始化工具 #

方案1：使用OnceCell实现延迟初始化 #

借助OnceCell的一次性初始化特性，先创建空的Arc<OnceCell<Function>>，再填充内容并建立递归引用：

use std::sync::{Arc, OnceCell};

struct Function {
    pub body: Vec<Call>
}

struct Call {
    pub function: Arc<OnceCell<Function>> 
}

// 创建递归函数实例
let f = Arc::new(OnceCell::new());
f.set(Function {
    body: vec![Call { function: f.clone() }]
}).unwrap();

后续访问时，只需调用get().unwrap()即可获取不可变引用，无需每次加锁：

// 访问函数体
let function_body = &f.get().unwrap().body;

方案2：使用LazyLock（Rust 1.63+）实现惰性初始化 #

如果你的Rust版本在1.63及以上，可以用标准库的LazyLock（原社区库lazy_static的官方实现），写法更简洁：

use std::sync::{Arc, LazyLock};

struct Function {
    pub body: Vec<Call>
}

struct Call {
    pub function: Arc<LazyLock<Function>> 
}

// 创建递归函数实例
let f = Arc::new(LazyLock::new(|| {
    Function {
        body: vec![Call { function: f.clone() }]
    }
}));

访问时直接通过&*f即可获取Function的引用，无需额外调用：

let function_body = &(*f).body;

方案优势 #

• 仅在构造阶段处理可变逻辑，后续访问完全是无锁的不可变引用，性能更优
• 避免了RwLock/Mutex带来的冗余代码和运行时开销
• 保证数据安全性：OnceCell和LazyLock都确保初始化只执行一次，且初始化完成后数据不可变

内容的提问来源于stack exchange，提问作者gavrilikhin.d