Rust 程序设计语言

Rc<T>：引用计数智能指针

在大多数情况下，所有权是明确的：你确切地知道哪个变量拥有某个给定的值。然而，有时一个值可能有多个所有者。例如，在图数据结构中，多条边可能指向同一个节点，而该节点在概念上由所有指向它的边共同拥有。一个节点不应被清理，除非没有任何边指向它，也就是没有了所有者。

你必须通过使用 Rust 类型 Rc<T> 来显式启用多重所有权，它是引用计数（reference counting）的缩写。Rc<T> 类型会跟踪对一个值的引用数量，以确定该值是否仍在使用中。如果对某个值的引用数为零，该值就可以被清理，而不会出现任何引用变为无效的情况。

把 Rc<T> 想象成家庭活动室里的一台电视。当一个人进来看电视时，他会打开电视。其他人可以进来并一起看电视。当最后一个人离开房间时，他会关掉电视，因为电视不再被使用了。如果有人在其他人还在看电视的时候关掉电视，剩下的观看者肯定会闹起来！

当我们想把一些数据分配在堆上，让程序的多个部分读取，并且我们在编译时无法确定哪个部分会最后一个用完这些数据时，就需要使用 Rc<T> 类型。如果我们知道哪个部分会最后一个用完，我们就可以让那个部分成为数据的所有者，编译时强制执行的常规所有权规则就会生效。

注意，Rc<T> 只能用于单线程场景。当我们在第 16 章讨论并发时，我们将介绍如何在多线程程序中进行引用计数。

共享数据

让我们回到 Listing 15-5 中的 cons list 示例。回想一下，我们使用 Box<T> 定义了它。这次，我们将创建两个列表，它们都共享对第三个列表的所有权。从概念上讲，这看起来类似于图 15-3。

图 15-3：两个列表 b 和 c，共享对第三个列表 a 的所有权

我们将创建包含 5 然后 10 的列表 a。然后，我们再创建两个列表：以 3 开头的 b 和以 4 开头的 c。接着，b 和 c 列表都会继续连接到第一个包含 5 和 10 的 a 列表。换句话说，两个列表都将共享包含 5 和 10 的第一个列表。

尝试使用我们用 Box<T> 定义的 List 来实现这个场景是行不通的，如 Listing 15-17 所示。

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

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
    let a = Cons(5, Box::new(Cons(10, Box::new(Nil))));
    let b = Cons(3, Box::new(a));
    let c = Cons(4, Box::new(a));
}

当我们编译这段代码时，会得到如下错误：

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
error[E0382]: use of moved value: `a`
  --> src/main.rs:11:30
   |
 9 |     let a = Cons(5, Box::new(Cons(10, Box::new(Nil))));
   |         - move occurs because `a` has type `List`, which does not implement the `Copy` trait
10 |     let b = Cons(3, Box::new(a));
   |                              - value moved here
11 |     let c = Cons(4, Box::new(a));
   |                              ^ value used here after move
   |
note: if `List` implemented `Clone`, you could clone the value
  --> src/main.rs:1:1
   |
 1 | enum List {
   | ^^^^^^^^^ consider implementing `Clone` for this type
...
10 |     let b = Cons(3, Box::new(a));
   |                              - you could clone this value

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.
error: could not compile `cons-list` (bin "cons-list") due to 1 previous error

Cons 变体拥有它们持有的数据，所以当我们创建 b 列表时，a 被移动到 b 中，b 拥有了 a。然后，当我们在创建 c 时再次尝试使用 a，我们就不被允许了，因为 a 已经被移动了。

我们可以改变 Cons 的定义，让它持有引用而非值，但这样我们就必须指定生命周期参数。通过指定生命周期参数，我们就是在指定列表中的每个元素都至少会与整个列表活得一样久。对于 Listing 15-17 中的元素和列表来说确实如此，但并非在每种情况下都如此。

相反，我们将改变 List 的定义，用 Rc<T> 代替 Box<T>，如 Listing 15-18 所示。每个 Cons 变体现在将持有一个值和一个指向 List 的 Rc<T>。当我们创建 b 时，我们不会取得 a 的所有权，而是会克隆 a 持有的 Rc<List>，从而将引用数量从一个增加到两个，并让 a 和 b 共享那个 Rc<List> 中数据的所有权。在创建 c 时我们也会克隆 a，将引用数量从两个增加到三个。每次我们调用 Rc::clone，Rc<List> 内部数据的引用计数都会增加，并且数据在引用数为零之前不会被清理。

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

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;

fn main() {
    let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    let c = Cons(4, Rc::clone(&a));
}

我们需要添加一个 use 语句来将 Rc<T> 引入作用域，因为它不在 prelude 中。在 main 中，我们创建了包含 5 和 10 的列表，并将其存储在 a 的一个新 Rc<List> 中。然后，在创建 b 和 c 时，我们调用 Rc::clone 函数，并将对 a 中 Rc<List> 的引用作为参数传递。

我们本可以调用 a.clone() 而不是 Rc::clone(&a)，但 Rust 的惯例是在这种情况下使用 Rc::clone。Rc::clone 的实现不会像大多数类型的 clone 实现那样对所有数据进行深拷贝。调用 Rc::clone 只会增加引用计数，这不太耗时。数据的深拷贝可能会花费大量时间。通过使用 Rc::clone 进行引用计数，我们可以在视觉上区分深拷贝类型的克隆和增加引用计数的克隆。在查找代码中的性能问题时，我们只需考虑深拷贝克隆，而可以忽略对 Rc::clone 的调用。

通过克隆增加引用计数

让我们修改 Listing 15-18 中可工作的示例，以便我们能看到在创建和丢弃对 a 中 Rc<List> 的引用时引用计数的变化。

在 Listing 15-19 中，我们将修改 main，使其在列表 c 周围有一个内部作用域；这样，我们就能看到 c 离开作用域时引用计数的变化。

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

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;

// --snip--

fn main() {
    let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
    println!("count after creating a = {}", Rc::strong_count(&a));
    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    println!("count after creating b = {}", Rc::strong_count(&a));
    {
        let c = Cons(4, Rc::clone(&a));
        println!("count after creating c = {}", Rc::strong_count(&a));
    }
    println!("count after c goes out of scope = {}", Rc::strong_count(&a));
}

在程序中引用计数发生变化的每个点，我们都会打印引用计数，这通过调用 Rc::strong_count 函数获得。这个函数之所以命名为 strong_count 而不是 count，是因为 Rc<T> 类型还有一个 weak_count；我们将在「使用 Weak<T> 防止引用循环」中看到 weak_count 的用途。

这段代码打印以下内容：

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.45s
     Running `target/debug/cons-list`
count after creating a = 1
count after creating b = 2
count after creating c = 3
count after c goes out of scope = 2

我们可以看到 a 中的 Rc<List> 初始引用计数为 1；然后每次我们调用 clone，计数就增加 1。当 c 离开作用域时，计数减少 1。我们不必像调用 Rc::clone 来增加引用计数那样调用函数来减少引用计数：Drop trait 的实现会在 Rc<T> 值离开作用域时自动减少引用计数。

在这个例子中我们看不到的是，当 b 然后 a 在 main 结束时离开作用域，计数变为 0，Rc<List> 被完全清理。使用 Rc<T> 允许单个值拥有多个所有者，计数确保只要任何所有者仍然存在，该值就保持有效。

通过不可变引用，Rc<T> 允许你在程序的多个部分之间共享数据，仅供读取。如果 Rc<T> 也允许你拥有多个可变引用，你可能会违反第 4 章中讨论的借用规则之一：对同一位置的多个可变借用可能导致数据竞争和不一致。但能够修改数据是非常有用的！在下一节中，我们将讨论内部可变性模式以及 RefCell<T> 类型，你可以将它与 Rc<T> 结合使用来应对这种不可变性的限制。