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引用循环和内存泄漏是安全的

ch15-06-reference-cycles.md
commit 9430a3d28a2121a938d704ce48b15d21062f880e

我们讨论过 Rust 做出的一些保证，例如永远也不会遇到一个空值，而且数据竞争也会在编译时被阻止。Rust 的内存安全保证也使其更难以制造从不被清理的内存，这被称为内存泄露。然而 Rust 并不是不可能出现内存泄漏，避免内存泄露并不是 Rust 的保证之一。换句话说，内存泄露是安全的。

在使用Rc<T>和RefCell<T>时，有可能创建循环引用，这时各个项相互引用并形成环。这是不好的因为每一项的引用计数将永远也到不了 0，其值也永远也不会被丢弃。让我们看看这是如何发生的以及如何避免它。

在示例 15-16 中，我们将使用示例 15-5 中List定义的另一个变体。我们将回到储存i32值作为Cons成员的第一个元素。现在Cons成员的第二个元素是RefCell<Rc<List>>：这时就不能修改i32值了，但是能够修改Cons成员指向的那个List。还需要增加一个tail方法来方便我们在拥有一个Cons成员时访问第二个项：

Filename: src/main.rs

#[derive(Debug)]
enum List {
    Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
    Nil,
}

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

Listing 15-16: A cons list definition that holds a RefCell so that we can modify what a Cons variant is referring to

接下来，在示例 15-17 中，我们将在变量a中创建一个List值，其内部是一个5, Nil的列表。接着在变量b创建一个值 10 和指向a中列表的List值。最后修改a指向b而不是Nil，这会创建一个循环：

Filename: src/main.rs

# #[derive(Debug)]
# enum List {
#     Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
#     Nil,
# }
#
# impl List {
#     fn tail(&self) -> Option<&RefCell<Rc<List>>> {
#         match *self {
#             Cons(_, ref item) => Some(item),
#             Nil => None,
#         }
#     }
# }
#
use List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

fn main() {

    let a = Rc::new(Cons(5, RefCell::new(Rc::new(Nil))));

    println!("a initial rc count = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("a next item = {:?}", a.tail());

    let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(a.clone())));

    println!("a rc count after b creation = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("b initial rc count = {}", Rc::strong_count(&b));
    println!("b next item = {:?}", b.tail());

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

    println!("b rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&b));
    println!("a rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&a));

    // Uncomment the next line to see that we have a cycle; it will
    // overflow the stack
    // println!("a next item = {:?}", a.tail());
}

Listing 15-17: Creating a reference cycle of two List values pointing to each other

使用tail方法来获取a中RefCell的引用，并将其放入变量link中。接着对RefCell使用borrow_mut方法将其中的值从存放Nil值的Rc改为b中的Rc。这创建了一个看起来像图 15-18 所示的引用循环：

Figure 15-18: A reference cycle of lists a and b pointing to each other

如果你注释掉最后的println!，Rust 会尝试打印出a指向b指向a这样的循环直到栈溢出。

观察最后一个println!之前的打印结果，就会发现在将a改变为指向b之后a和b的引用计数都是 2。在main的结尾，Rust 首先会尝试丢弃b，这会使Rc的引用计数减一，但是这个计数是 1 而不是 0，所以Rc在堆上的内存不会被丢弃。它只是会永远的停留在 1 上。这个特定例子中，程序立马就结束了，所以并不是一个问题，不过如果是一个更加复杂的程序，它在这个循环中分配了很多内存并占有很长时间，这就是个问题了。这个程序会使用多于它所需要的内存，并有可能压垮系统并造成没有内存可供使用。

现在，如你所见，在 Rust 中创建引用循环是困难和繁琐的。但并不是不可能：避免引用循环这种形式的内存泄漏并不是 Rust 的保证之一。如果你有包含Rc<T>的RefCell<T>值或类似的嵌套结合了内部可变性和引用计数的类型，请务必小心确保你没有形成一个引用循环。在示例 15-14 的例子中，可能解决方式就是不要编写像这样可能造成引用循环的代码，因为我们希望Cons成员拥有他们指向的列表。

举例来说，对于像图这样的数据结构，为了创建父节点指向子节点的边和以相反方向从子节点指向父节点的边，有时需要创建这样的引用循环。如果一个方向拥有所有权而另一个方向没有，对于模拟这种数据关系的一种不会创建引用循环和内存泄露的方式是使用Weak<T>。接下来让我们探索一下！

避免引用循环：将Rc<T>变为Weak<T>

Rust 标准库中提供了Weak<T>，一个用于存在引用循环但只有一个方向有所有权的智能指针。我们已经展示过如何克隆Rc<T>来增加引用的strong_count；Weak<T>是一种引用Rc<T>但不增加strong_count的方式：相反它增加Rc引用的weak_count。当Rc离开作用域，其内部值会在strong_count为 0 的时候被丢弃，即便weak_count不为 0 。为了能够从Weak<T>中获取值，首先需要使用upgrade方法将其升级为Option<Rc<T>>。升级Weak<T>的结果在Rc还未被丢弃时是Some，而在Rc被丢弃时是None。因为upgrade返回一个Option，我们知道 Rust 会确保Some和None的情况都被处理并不会尝试使用一个无效的指针。

不同于示例 15-17 中每个项只知道它的下一项，假如我们需要一个树，它的项知道它的子项和父项。

让我们从一个叫做Node的存放拥有所有权的i32值和其子Node值的引用的结构体开始：

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

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

我们希望能够Node拥有其子节点，同时也希望变量可以拥有每个节点以便可以直接访问他们。这就是为什么Vec中的项是Rc<Node>值。我们也希望能够修改其他节点的子节点，这就是为什么children中Vec被放进了RefCell的原因。在示例 15-19 中创建了一个叫做leaf的带有值 3 并没有子节点的Node实例，和另一个带有值 5 和以leaf作为子节点的实例branch：

Filename: src/main.rs

fn main() {
    let leaf = Rc::new(Node {
        value: 3,
        children: RefCell::new(vec![]),
    });

    let branch = Rc::new(Node {
        value: 5,
        children: RefCell::new(vec![leaf.clone()]),
    });
}

Listing 15-19: Creating a leaf node and a branch node where branch has leaf as one of its children but leaf has no reference to branch

leaf中的Node现在有两个所有者：leaf和branch，因为我们克隆了leaf中的Rc并储存在了branch中。branch中的Node知道它与leaf相关联因为branch在branch.children中有leaf的引用。然而，leaf并不知道它与branch相关联，而我们希望leaf知道branch是其父节点。

为了做到这一点，需要在Node结构体定义中增加一个parent字段，不过parent的类型应该是什么呢？我们知道它不能包含Rc<T>，因为这样leaf.parent将会指向branch而branch.children会包含leaf的指针，这会形成引用循环。leaf和branch不会被丢弃因为他们总是引用对方且引用计数永远也不会是零。

所以在parent的类型中是使用Weak<T>而不是Rc，具体来说是RefCell<Weak<Node>>：

Filename: src/main.rs

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

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

这样，一个节点就能够在拥有父节点时指向它，而并不拥有其父节点。一个父节点哪怕在拥有指向它的子节点也会被丢弃，只要是其自身也没有一个父节点就行。现在将main函数更新为如示例 15-20 所示：

Filename: src/main.rs

fn main() {
    let leaf = Rc::new(Node {
        value: 3,
        parent: RefCell::new(Weak::new()),
        children: RefCell::new(vec![]),
    });

    println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());

    let branch = Rc::new(Node {
        value: 5,
        parent: RefCell::new(Weak::new()),
        children: RefCell::new(vec![leaf.clone()]),
    });

    *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);

    println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
}

Listing 15-20: A leaf node and a branch node where leaf has a Weak reference to its parent, branch

创建leaf节点是类似的；因为它作为开始并没有父节点，这里创建了一个新的Weak引用实例。当尝试通过upgrade方法获取leaf父节点的引用时，会得到一个None值，如第一个println!输出所示：

leaf parent = None

类似的，branch也有一个新的Weak引用，因为也没有父节点。leaf仍然作为branch的一个子节点。一旦在branch中有了一个新的Node实例，就可以修改leaf将一个branch的Weak引用作为其父节点。这里使用了leaf中parent字段里的RefCell的borrow_mut方法，接着使用了Rc::downgrade函数来从branch中的Rc值创建了一个指向branch的Weak引用。

当再次打印出leaf的父节点时，这一次将会得到存放了branch的Some值。另外需要注意到这里并没有打印出类似示例 15-14 中那样最终导致栈溢出的循环：Weak引用仅仅打印出(Weak)：

leaf parent = Some(Node { value: 5, parent: RefCell { value: (Weak) },
children: RefCell { value: [Node { value: 3, parent: RefCell { value: (Weak) },
children: RefCell { value: [] } }] } })

没有无限的输出（或直到栈溢出）的事实表明这里并没有引用循环。另一种证明的方式时观察调用Rc::strong_count和Rc::weak_count的值。在示例 15-21 中，创建了一个新的内部作用域并将branch的创建放入其中，这样可以观察branch被创建时和离开作用域被丢弃时发生了什么：

Filename: src/main.rs

fn main() {
    let leaf = Rc::new(Node {
        value: 3,
        parent: RefCell::new(Weak::new()),
        children: RefCell::new(vec![]),
    });

    println!(
        "leaf strong = {}, weak = {}",
        Rc::strong_count(&leaf),
        Rc::weak_count(&leaf),
    );

    {
        let branch = Rc::new(Node {
            value: 5,
            parent: RefCell::new(Weak::new()),
            children: RefCell::new(vec![leaf.clone()]),
        });
        *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);

        println!(
            "branch strong = {}, weak = {}",
            Rc::strong_count(&branch),
            Rc::weak_count(&branch),
        );

        println!(
            "leaf strong = {}, weak = {}",
            Rc::strong_count(&leaf),
            Rc::weak_count(&leaf),
        );
    }

    println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
    println!(
        "leaf strong = {}, weak = {}",
        Rc::strong_count(&leaf),
        Rc::weak_count(&leaf),
    );
}

Listing 15-21: Creating branch in an inner scope and examining strong and weak reference counts of leaf and branch

创建leaf之后，强引用计数是 1 （用于leaf自身）而弱引用计数是 0。在内部作用域中，在创建branch和关联leaf和branch之后，branch的强引用计数为 1（用于branch自身）而弱引用计数为 1（因为leaf.parent通过一个Weak<T>指向branch）。leaf的强引用计数为 2，因为branch现在有一个leaf克隆的Rc储存在branch.children中。leaf的弱引用计数仍然为 0。

当内部作用域结束，branch离开作用域，其强引用计数减少为 0，所以其Node被丢弃。来自leaf.parent的弱引用计数 1 与Node是否被丢弃无关，所以并没有产生内存泄露！

如果在内部作用域结束后尝试访问leaf的父节点，会像leaf拥有父节点之前一样得到None值。在程序的末尾，leaf的强引用计数为 1 而弱引用计数为 0，因为现在leaf又是唯一指向其自己的值了。

所有这些管理计数和值是否应该被丢弃的逻辑都通过Rc和Weak和他们的Drop trait 实现来控制。通过在定义中指定从子节点到父节点的关系为一个Weak<T>引用，就能够拥有父节点和子节点之间的双向引用而不会造成引用循环和内存泄露。

总结

现在我们学习了如何选择不同类型的智能指针来选择不同的保证并与 Rust 的常规引用向取舍。Box<T>有一个已知的大小并指向分配在堆上的数据。Rc<T>记录了堆上数据的引用数量这样就可以拥有多个所有者。RefCell<T>和其内部可变性使其可以用于需要不可变类型，但希望在运行时而不是编译时检查借用规则的场景。

我们还介绍了提供了很多智能指针功能的 trait Deref和Drop。同时探索了形成引用循环和造成内存泄漏的可能性，以及如何使用Weak<T>避免引用循环。

如果本章内容引起了你的兴趣并希望现在就实现你自己的智能指针的话，请阅读 The Nomicon 来获取更多有用的信息。

接下来，让我们谈谈 Rust 的并发。我们还会学习到一些新的对并发有帮助的智能指针。