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Weak与循环引用

本文分为上下两篇，试图彻底解决困扰大家已久的循环引用和自引用问题，因此难度较高，但是非常值得深入阅读，它会让你对Rust的理解上升到一个新的境界。

Rust的安全性是众所周知的，但是不代表它不会内存泄漏。一个典型的例子就是同时使用Rc<T>和RefCell<T>创建循环引用，最终这些引用的计数都无法被归零，因此Rc<T>拥有的值也不会被释放清理。

何为循环引用

关于内存泄漏，如果你没有充足的Rust经验，可能都无法造出一份代码来再现它:

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

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

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

fn main() {}

这里我们创建一个有些复杂的枚举类型List，这个类型很有意思，它的每个值都指向了另一个List，而且得益于Rc的使用还允许多个值指向一个List:

如上图所示，每个矩形框节点都是一个List类型，它们或者是拥有值且指向另一个List的的Cons，或者是一个没有值的终结点Nil。同时，由于RefCell的使用，每个List所指向的List还能够被修改。

下面来使用一下这个复杂的List枚举：

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

    println!("a的初始化rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("a指向的节点 = {:?}", a.tail());

    // 创建`b`到`a`的引用
    let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(Rc::clone(&a))));

    println!("在b创建后，a的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));
    println!("b的初始化rc计数 = {}", Rc::strong_count(&b));
    println!("b指向的节点 = {:?}", b.tail());
    
    // 利用RefCell的可变性，创建了`a`到`b`的引用
    if let Some(link) = a.tail() {
        *link.borrow_mut() = Rc::clone(&b);
    }

    println!("在更改a后，b的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&b));
    println!("在更改a后，a的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));

    // 下面一行println!将导致循环引用
    // 我们可怜的8MB大小的main线程栈空间将被它冲垮，最终造成栈溢出
    // println!("a next item = {:?}", a.tail());
}

这个类型定义看着复杂，使用起来更复杂！不过排除这些因素，我们可以清晰看出：

在创建了a后，紧接着就使用a创建了b，因此b引用了a
然后我们又利用Rc克隆了b，然后通过RefCell的可变性，让a引用了b

至此我们成功创建了循环引用a-> b -> a -> b ····

先来观察下引用计数:

a的初始化rc计数 = 1
a指向的节点 = Some(RefCell { value: Nil })
在b创建后，a的rc计数 = 2
b的初始化rc计数 = 1
b指向的节点 = Some(RefCell { value: Cons(5, RefCell { value: Nil }) })
在更改a后，b的rc计数 = 2
在更改a后，a的rc计数 = 2

在main函数结束前，a和b的引用计数均是2，随后b触发Drop，此时引用计数会变为1，并不会归0，因此b所指向内存不会被释放，同理可得a指向的内存也不会被释放，最终发生了内存泄漏。

下面一张图很好的展示了这种引用循环关系:

现在我们还需要轻轻的推一下，让塔米诺骨牌轰然倒塌。反注释最后一行代码，试着运行下：

RefCell { value: Cons(5, RefCell { value: Cons(10, RefCell { value: Cons(5, RefCell { value: Cons(10, RefCell { value: Cons(5, RefCell { value: Cons(10, RefCell { 
...无穷无尽
thread 'main' has overflowed its stack
fatal runtime error: stack overflow

通过a.tail的调用，Rust试图打印出a -> b ->a···的所有内容，但是在不懈的努力后，main线程终于不堪重负，发生了栈溢出。

以上的代码可能并不会造成什么大的问题，但是在一个更加复杂的程序中，类似的问题可能会造成你的程序不断的分配内存、泄漏内存，最终程序会不幸OOM，当然这其中的CPU损耗也不可小觑。

总之，创建引用并不简单，但是也并不是完全遇不到，当你使用RefCell<Rc<T>>或者类似的类型嵌套组合(具备内部可变性和引用计数)时，就要打起万分精神，前面可能是深渊！

那么问题来了？如果我们确实需要实现上面的功能，该怎么办？答案是使用Weak。

Weak

Weak非常类似于Rc，但是与Rc持有所有权不同，Weak不持有所有权，它仅仅保存一份指向数据的弱引用：如果你想要访问数据，需要通过Weak指针的upgrade方法实现，该方法返回一个类型为Option><Rc<T>>的值。

看到这个返回，相信大家就懂了：何为弱引用？就是不保证引用关系依然存在，如果不存在，就返回一个None!

因为Weak引用不计入所有权，因此它无法阻止所引用的内存值被释放掉, 而且Weak本身不对值的存在性做任何担保，引用的值还存在就返回Some，不存在就返回None。

Weak与Rc对比

我们来将Weak与Rc进行以下简单对比:

`Weak`	`Rc`
不计数	引用计数
不拥有所有权	拥有值的所有权
不阻止值被释放(drop)	所有权计数归零，才能drop
引用的值存在返回Some,不存在返回None	引用的值必定存在
通过`upgrade`取到`Option<Rc<T>>`,然后再取值	通过`Deref`自动解引用，取值无需任何操作｜

通过这个对比，可以非常清晰的看出Weak为何这么弱，而这种弱恰恰非常适合我们实现以下的场景：

持有一个Rc对象的临时引用，并且不在乎引用的值是否依然存在
阻止Rc导致的循环引用，因为Rc的所有权机制，会导致多个Rc都无法计数归零

使用方式简单总结下：对于父子引用关系，可以让父节点通过Rc来引用子节点，然后让子节点通过Weak来引用父节点。

Weak总结

因为Weak本身并不是很好理解，因此我们再来帮大家梳理总结下，然后再通过一个例子，来彻底掌握。

Weak通过use std::rc::Weak来引入，它具有以下特点:

可访问，但没有所有权，不增加引用计数，因此不会影响被引用值的释放回收
可由Rc<T>调用downgrade方法转换成Weak<T>
Weak<T>可使用upgrade方法转换成Option<Rc<T>>,如果资源已经被释放，则Option的值是None
常用于解决循环引用的问题

一个简单的例子：

use std::rc::Rc;
fn main() {
    // 创建Rc，持有一个值5
    let five = Rc::new(5);

    // 通过Rc，创建一个Weak指针
    let weak_five = Rc::downgrade(&five);

    // Weak引用的资源依然存在，取到值5
    let strong_five: Option<Rc<_>> = weak_five.upgrade();
    assert_eq!(*strong_five.unwrap(), 5);

    // 手动释放资源`five`
    drop(five);

    // Weak引用的资源已不存在，因此返回None
    let strong_five: Option<Rc<_>> = weak_five.upgrade();
    assert_eq!(strong_five, None);
}

需要承认的是，使用Weak让Rust本来就堪忧的代码可读性又下降了不少，但是。。。真香，因为可以解决循环引用了。

使用Weak解决循环引用

理论知识已经足够，现在用两个例子来模拟下真实场景下可能会遇到的循环引用。

工具间的故事

工具间里，每个工具都有其主人，且多个工具可以拥有一个主人；同时一个主人也可以拥有多个工具，在这种场景下，就很容易形成循环引用，好在我们有Weak:

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

// 主人
struct Owner {
    name: String,
    gadgets: RefCell<Vec<Weak<Gadget>>>,
}

// 工具
struct Gadget {
    id: i32,
    owner: Rc<Owner>,
}

fn main() {
    // 创建一个Owner
    // 需要注意，该Owner也拥有多个`gadgets`
    let gadget_owner : Rc<Owner> = Rc::new(
        Owner {
            name: "Gadget Man".to_string(),
            gadgets: RefCell::new(Vec::new()),
        }
    );

    // 创建工具，同时与主人进行关联：创建两个gadget，他们分别持有gadget_owner 的一个引用。
    let gadget1 = Rc::new(Gadget{id: 1, owner: gadget_owner.clone()});
    let gadget2 = Rc::new(Gadget{id: 2, owner: gadget_owner.clone()});

    // 为主人更新它所拥有的工具
    // 因为之前使用了`Rc`，现在必须要使用`Weak`，否则就会循环引用
    gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget1));
    gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget2));

    // 遍历 gadget_owner的gadgets字段
    for gadget_opt in gadget_owner.gadgets.borrow().iter() {

        // gadget_opt 是一个 Weak<Gadget> 。 因为 weak 指针不能保证他所引用的对象
        // 仍然存在。所以我们需要显式的调用 upgrade() 来通过其返回值(Option<_>)来判
        // 断其所指向的对象是否存在。
        // 当然，Option为None的时候这个引用原对象就不存在了。
        let gadget = gadget_opt.upgrade().unwrap();
        println!("Gadget {} owned by {}", gadget.id, gadget.owner.name);
    }

    // 在main函数的最后， gadget_owner, gadget1和daget2都被销毁。
    // 具体是，因为这几个结构体之间没有了强引用（`Rc<T>`），所以，当他们销毁的时候。
    // 首先 gadget1和gadget2被销毁。
    // 然后因为gadget_owner的引用数量为0，所以这个对象可以被销毁了。
    // 循环引用问题也就避免了
}

tree数据结构

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

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

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![Rc::clone(&leaf)]),
        });

        *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),
    );
}

这个例子就留给读者自己解读和分析，我们就不画蛇添足了：）

unsafe解决循环引用

除了使用Rust标准库提供的这些类型，你还可以使用unsafe里的原生指针来解决这些棘手的问题，但是由于我们还没有讲解unsafe，因此这里就不进行展开，只附上源码链接, 挺长的，需要耐心o,O

虽然unsfae不安全，但是在各种库的代码中依然很常见用它来实现自引用结构，主要优点如下:

性能高，毕竟直接用原生指针操作
代码更简单更符合直觉: 对比下Option<Rc<RefCell<Node>>>

总结

本文深入讲解了何为循环引用以及如何使用Weak来解决，同时还结合Rc、RefCell、Weak等实现了两个有实战价值的例子，让大家对智能指针的使用更加融会贯通。

至此，智能指针一章即将结束(严格来说还有一个Mutex放在多线程一章讲解)，而Rust语言本身的学习之旅也即将结束，后面我们将深入多线程、项目工程、应用实践、性能分析等特色专题，来一睹Rust在这些领域的风采。

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