Rust能力养成系列之（41）：内存管理：引用计数智能指针（上）

前言

Rust的所有权规则（ownership rule）允许在给定的范围内一次只存在一个所有者。但是，在某些情况下，需要与多个变量共享类型。例如，在GUI库中，每个子小部件（child widget）都需要有一个对其父容器小部件（parent container widget）的引用，以便根据来自用户发起的的调整大小事件（resize event）对子小部件进行布局。虽然生命周期允许开发者通过将父节点存储为&'a parent来从子节点引用父节点，但它通常受到值的生命周期参数a的限制。一旦范围结束，引用也就无效了。在这种情况下，我们需要更灵活的方法，这就涉及使用引用计数类型（reference counting types）。这些智能指针类型能够提供程序中值的共享所有权。

引用计数类型能够做到在细粒度级别上进行垃圾收集。在这种方法中，智能指针类型允许对封装的值有多个引用。在内部，智能指针保存它给出的引用数量的计数，并使用一个引用计数器(此处为refcount)活动，这里是一个整数值。当引用封装的智能指针值的变量超出作用域时，refcount值递减。一旦对该对象的所有引用都消失了，并且refcount达到0，就会释放该值。这就是引用计数指针通常的工作方式。

Rust为我们提供了两种参考计数指针类型:

• Rc:主要用于单线程环境( single threaded environments)
• Arc用于多线程环境(multi-threaded environments)

我们会在这一章节里探索单线程情况，而后在第8章“并发性”中讨论下多线程的情况。

 

Rc

当我们与Rc类型交互时，它内部会发生以下变化:

• 当通过调用Clone()获取一个新的Rc共享引用时，Rc会增加它的内部引用计数。Rc在内部为其引用计数使用单元格类型（ Cell type ）
• 当引用超出作用域时，将其减1
• 当所有共享引用超出作用域时，引用计数变为零。此时，对Rc的最后一个drop调用将执行它的重新分配

使用引用计数容器为实现提供了更大的灵活性:我们可以像分发新副本一样分发值的副本，而不必精确跟踪引用何时超出了作用域。当然，这并不意味着我们可以以可变方式为内部值添加别名。

Rc主要通过两种方法来使用:

• 利用静态方法Rc::new创建一个新的引用计数容器
• 利用Clone方法增加强引用计数，并分发一个新的Rc

Rc内部保留两种引用: strong (Rc) 和weak (Weak).。两者都记录每种类型的引用已分发的数量，但只有当强引用计数达到0时，这些值才会被回收。这样做的动机是，数据结构的实现可能需要多次指向相同的东西。例如，树的实现可能同时具有对子节点和父节点的引用，但是对每个引用都递增计数器数值是不正确的，并会导致引用循环。下面的图就说明了引用循环的情况：

如上面图表所见，我们有两个变量var1和var2，它们引用两个资源Obj1和Obj2。除此之外，Obj1也有一个对Obj2的引用Obj2也有一个对Obj1的引用。当var1和var2超出范围时，Obj1和Obj2的引用计数都为1。它们不会被释放，因为它们仍然相互关联。

可以使用弱引用（weak reference）来打破引用循环。另一个例子是，链表可以通过以下方式实现:通过对下一项和上一项的引用计数来维护链接。更好的方法是对一个方向使用强引用，对另一个方向使用弱引用。

让我们看看这是怎么做的。下面是一个可能最不实用但最适合学习数据结构的最小实现，即单链表:

// linked_list.rs

use std::rc::Rc; 

#[derive(Debug)] 
struct LinkedList { 
    head: Option>> 
} 

#[derive(Debug)] 
struct Node { 
    next: Option>>, 
    data: T 
} 

impl LinkedList { 
    fn new() -> Self { 
        LinkedList { head: None } 
    } 

    fn append(&self, data: T) -> Self { 
        LinkedList { 
            head: Some(Rc::new(Node { 
                data: data, 
                next: self.head.clone() 
            })) 
        } 
    } 
} 

fn main() { 
    let list_of_nums = LinkedList::new().append(1).append(2); 
    println!("nums: {:?}", list_of_nums); 

    let list_of_strs = LinkedList::new().append("foo").append("bar"); 
    println!("strs: {:?}", list_of_strs); 
}

看一下，这个链表由两个结构体组成:LinkedList提供对列表第一个元素和列表的公共API的引用，Node包含实际的元素。请注意我们是如何使用Rc和在每个追加（append）上克隆下一个数据指针的。那么来看看在追加情况下发生了什么：

• LinkedList::new()给我们一个新的列表，head：None
• 我们向列表追加1。head作为数据的节点，现在是包含1，下一个是前一个的head:None
• 我们向列表追加2。head作为数据的节点，现在是包含2，下一个是前一个的head:1

debug的输出println!证实了这一点:

不难看出，这体现出这个结构的一种函数式形式;每个append的工作方式都是在head（头部）添加数据，这意味着我们不必使用引用，而实际的列表引用可以保持不变。如果我们想保持这个简单的结构，但仍然有一个双链表，那么我们实际上必须改变现有的结构。

 

结语

那么如何做相应的改变呢，姑且作为这一篇的作业，读者可以想一下，我们下篇再说。

 

主要参考和建议读者进一步阅读的文献

https://doc.rust-lang.org/book

深入浅出 Rust，2018，范长春

Rust编程之道，2019， 张汉东

The Complete Rust Programming Reference Guide，2019， Rahul Sharma,Vesa Kaihlavirta,Claus Matzinger

Hands-On Data Structures and Algorithms with Rust，2018，Claus Matzinger

Beginning Rust ，2018，Carlo Milanesi

Rust Cookbook，2017，Vigneshwer Dhinakaran