引用計(jì)數(shù)與引用循環(huán)

在 Rust 中，Rc<T> 允許多個(gè)所有者共享同一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)用 Rc::clone 時(shí)，會(huì)增加內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)（strong_count）。只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)降為 0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)存才會(huì)被釋放。

然而，如果你創(chuàng)建了一個(gè)引用循環(huán)，比如兩個(gè)或多個(gè)值互相引用對(duì)方，那么每個(gè)值的引用計(jì)數(shù)都不會(huì)降為 0，從而導(dǎo)致這些內(nèi)存永遠(yuǎn)無(wú)法被回收。這種情況雖然不會(huì)導(dǎo)致程序崩潰，但在長(zhǎng)期運(yùn)行或者大量數(shù)據(jù)累積時(shí)，可能會(huì)耗盡系統(tǒng)內(nèi)存。

示例：使用 Rc<T> 和 RefCell<T> 創(chuàng)建引用循環(huán)

考慮下面的代碼片段，我們定義了一個(gè)類(lèi)似于鏈表的 List 枚舉，其中 Cons 變體不僅存儲(chǔ)一個(gè)整數(shù)，還通過(guò) RefCell<Rc<List>> 保存對(duì)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用：

enum List {
    Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
    Nil,
}

impl List {
    fn tail(&self) -> Option<&RefCell<Rc<List>>> {
        match self {
            List::Cons(_, tail) => Some(tail),
            List::Nil => None,
        }
    }
}

在 main 函數(shù)中，我們創(chuàng)建了兩個(gè) Rc<List> 實(shí)例 a 和 b，并通過(guò)修改 a 中保存的指針讓其指向 b，從而形成一個(gè)循環(huán)引用：

fn main() {
    let a = Rc::new(Cons(5, RefCell::new(Rc::new(Nil))));
    println!("a 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a));

    let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(Rc::clone(&a))));
    println!("a 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("b 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&b));

    if let Some(link) = a.tail() {
        *link.borrow_mut() = Rc::clone(&b);
    }

    // 此時(shí)，a 和 b 互相引用，形成循環(huán)
    println!("a 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("b 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&b));

    // 如果在此處嘗試打印整個(gè)列表，會(huì)因?yàn)闊o(wú)限循環(huán)而導(dǎo)致棧溢出
    // println!("a = {:?}", a);
}

在這段代碼中，最初 a 與 b 的引用計(jì)數(shù)分別為 1 和 1；但在將 a 的 tail 修改為指向 b 后，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用計(jì)數(shù)都增加到 2。當(dāng) main 結(jié)束時(shí)，即使局部變量 a 和 b 離開(kāi)作用域，但由于互相引用，它們內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)仍然大于 0，導(dǎo)致內(nèi)存無(wú)法被釋放。

解決方法

使用弱引用（Weak<T>）：

為了解決引用循環(huán)問(wèn)題，Rust 提供了 Weak<T> 類(lèi)型。與 Rc<T> 不同，Weak<T> 并不表達(dá)所有權(quán)，它的存在不會(huì)增加引用計(jì)數(shù)，也就不會(huì)阻止值的釋放。

應(yīng)用場(chǎng)景：樹(shù)形結(jié)構(gòu)

在樹(shù)形結(jié)構(gòu)中，父節(jié)點(diǎn)通常擁有子節(jié)點(diǎn)，而子節(jié)點(diǎn)也可能需要引用父節(jié)點(diǎn)。如果使用 Rc<T> 建立雙向引用，會(huì)產(chǎn)生循環(huán)引用問(wèn)題。解決方案是讓子節(jié)點(diǎn)通過(guò) Weak<T> 來(lái)引用父節(jié)點(diǎn)，這樣即使父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)互相引用，只有所有的強(qiáng)引用（Rc<T>）被釋放時(shí)，對(duì)象才能被正確銷(xiāo)毀。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示了如何在節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中使用弱引用來(lái)避免循環(huán)引用：

use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
    value: i32,
    parent: RefCell<Weak<Node>>,
    children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

impl Node {
    fn new(value: i32) -> Rc<Node> {
        Rc::new(Node {
            value,
            parent: RefCell::new(Weak::new()),
            children: RefCell::new(vec![]),
        })
    }
}

fn main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)的葉子節(jié)點(diǎn)
    let leaf = Node::new(3);
    println!("leaf 的 parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());

    {
        // 在內(nèi)部作用域中創(chuàng)建一個(gè)分支節(jié)點(diǎn)，將葉子節(jié)點(diǎn)作為其子節(jié)點(diǎn)
        let branch = Node::new(5);
        *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
        branch.children.borrow_mut().push(Rc::clone(&leaf));

        println!("branch 的引用計(jì)數(shù) = {}, 弱引用計(jì)數(shù) = {}",
            Rc::strong_count(&branch),
            Rc::weak_count(&branch)
        );
        println!("leaf 的引用計(jì)數(shù) = {}, 弱引用計(jì)數(shù) = {}",
            Rc::strong_count(&leaf),
            Rc::weak_count(&leaf)
        );
    }

    // 此時(shí)，branch 已經(jīng)離開(kāi)作用域被釋放，leaf 的 parent 升級(jí)后為 None
    println!("leaf 的 parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
    println!("leaf 的引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&leaf));
}

在這個(gè)例子中：

• 我們用 Rc::downgrade 創(chuàng)建了指向 branch 的弱引用，并將其賦值給 leaf 的 parent 字段。
• 由于 Weak<T> 不增加強(qiáng)引用計(jì)數(shù)，即使 branch 離開(kāi)作用域后被銷(xiāo)毀，leaf 也不會(huì)阻止內(nèi)存回收。
• 當(dāng)嘗試使用 upgrade 獲取 leaf 的父節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的 Rc<Node> 已被銷(xiāo)毀，將返回 None。

這種設(shè)計(jì)使得父子節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系更符合實(shí)際的所有權(quán)語(yǔ)義：父節(jié)點(diǎn)擁有子節(jié)點(diǎn)，而子節(jié)點(diǎn)僅僅持有對(duì)父節(jié)點(diǎn)的一個(gè)“非所有權(quán)”引用，從而避免了引用循環(huán)和潛在的內(nèi)存泄漏問(wèn)題。

總結(jié)

在本文中，我們討論了在 Rust 中如何利用 Rc<T> 與 RefCell<T> 創(chuàng)建引用循環(huán)，以及這種循環(huán)如何導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。雖然 Rust 的內(nèi)存安全性保證可以防止懸垂指針等常見(jiàn)問(wèn)題，但引用循環(huán)仍然可能悄無(wú)聲息地引起內(nèi)存泄漏。為了解決這一問(wèn)題，我們引入了 Weak<T> 類(lèi)型，使得我們可以在需要雙向引用（如樹(shù)結(jié)構(gòu)中父子關(guān)系）的場(chǎng)景下避免循環(huán)引用問(wèn)題。

理解和掌握這些智能指針（Box<T>、Rc<T>、RefCell<T> 和 Weak<T>）的細(xì)微差別，對(duì)于編寫(xiě)高效且內(nèi)存安全的 Rust 程序至關(guān)重要。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望這篇博客能幫助你更深入地理解 Rust 中的引用計(jì)數(shù)和內(nèi)存管理機(jī)制，并在未來(lái)的項(xiàng)目中避免潛在的內(nèi)存泄漏問(wèn)題。也希望大家多多支持腳本之家。

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