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# Weak与循环引用
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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。
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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。
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## 何为循环引用
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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:
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```rust
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use crate::List::{Cons, Nil};
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use std::cell::RefCell;
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use std::rc::Rc;
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#[derive(Debug)]
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enum List {
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Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
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Nil,
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}
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impl List {
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fn tail(&self) -> Option<&RefCell<Rc<List>>> {
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match self {
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Cons(_, item) => Some(item),
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Nil => None,
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}
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}
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}
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fn main() {}
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```
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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`:
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<img alt="" src="/img/self-ref-01.png" class="center" />
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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。
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下面来使用一下这个复杂的`List`枚举：
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```rust
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fn main() {
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let a = Rc::new(Cons(5, RefCell::new(Rc::new(Nil))));
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println!("a的初始化rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));
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println!("a指向的节点 = {:?}", a.tail());
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// 创建`b`到`a`的引用
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let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(Rc::clone(&a))));
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println!("在b创建后，a的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));
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println!("b的初始化rc计数 = {}", Rc::strong_count(&b));
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println!("b指向的节点 = {:?}", b.tail());
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// 利用RefCell的可变性，创建了`a`到`b`的引用
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if let Some(link) = a.tail() {
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*link.borrow_mut() = Rc::clone(&b);
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}
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println!("在更改a后，b的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&b));
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println!("在更改a后，a的rc计数 = {}", Rc::strong_count(&a));
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// 下面一行println!将导致循环引用
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// 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
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// println!("a next item = {:?}", a.tail());
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}
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```
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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：
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1. 在创建了`a`后，紧接着就使用`a`创建了`b`，因此`b`引用了`a`
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2. 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`
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至此我们成功创建了循环引用`a`-> `b` -> `a` -> `b` ····
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先来观察下引用计数:
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```console
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a的初始化rc计数 = 1
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a指向的节点 = Some(RefCell { value: Nil })
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在b创建后，a的rc计数 = 2
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b的初始化rc计数 = 1
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b指向的节点 = Some(RefCell { value: Cons(5, RefCell { value: Nil }) })
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在更改a后，b的rc计数 = 2
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在更改a后，a的rc计数 = 2
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```
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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。
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下面一张图很好的展示了这种引用循环关系:
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<img alt="" src="/img/self-ref-02.png" class="center" />
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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：
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```console
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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 {
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|
...无穷无尽
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thread 'main' has overflowed its stack
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fatal runtime error: stack overflow
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```
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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](https://zhuanlan.zhihu.com/p/446039229)。
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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。
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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！
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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`。
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## Weak
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`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。
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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`!
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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`。
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#### Weak与Rc对比
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我们来将`Weak`与`Rc`进行以下简单对比:
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| `Weak` | `Rc` |
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|--------|-------------|
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| 不计数 | 引用计数 |
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| 不拥有所有权 | 拥有值的所有权 |
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| 不阻止值被释放(drop) | 所有权计数归零，才能drop |
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| 引用的值存在返回Some,不存在返回None | 引用的值必定存在 |
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| 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｜
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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：
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- 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
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- 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
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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**。
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#### Weak总结
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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。
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`Weak`通过`use std::rc::Weak`来引入，它具有以下特点:
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- 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
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- 可由`Rc<T>`调用`downgrade`方法转换成`Weak<T>`
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- `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`
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- 常用于解决循环引用的问题
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一个简单的例子：
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```rust
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use std::rc::Rc;
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fn main() {
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// 创建Rc，持有一个值5
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let five = Rc::new(5);
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// 通过Rc，创建一个Weak指针
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let weak_five = Rc::downgrade(&five);
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// Weak引用的资源依然存在，取到值5
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let strong_five: Option<Rc<_>> = weak_five.upgrade();
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assert_eq!(*strong_five.unwrap(), 5);
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// 手动释放资源`five`
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drop(five);
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// Weak引用的资源已不存在，因此返回None
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let strong_five: Option<Rc<_>> = weak_five.upgrade();
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assert_eq!(strong_five, None);
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}
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```
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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。
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## 使用Weak解决循环引用
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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。
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#### 工具间的故事
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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`:
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```rust
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use std::rc::Rc;
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use std::rc::Weak;
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use std::cell::RefCell;
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// 主人
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struct Owner {
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name: String,
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gadgets: RefCell<Vec<Weak<Gadget>>>,
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}
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// 工具
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struct Gadget {
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id: i32,
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owner: Rc<Owner>,
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}
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fn main() {
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// 创建一个Owner
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// 需要注意，该Owner也拥有多个`gadgets`
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let gadget_owner : Rc<Owner> = Rc::new(
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Owner {
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name: "Gadget Man".to_string(),
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gadgets: RefCell::new(Vec::new()),
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}
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);
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// 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。
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let gadget1 = Rc::new(Gadget{id: 1, owner: gadget_owner.clone()});
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let gadget2 = Rc::new(Gadget{id: 2, owner: gadget_owner.clone()});
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// 为主人更新它所拥有的工具
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// 因为之前使用了`Rc`，现在必须要使用`Weak`，否则就会循环引用
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gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget1));
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gadget_owner.gadgets.borrow_mut().push(Rc::downgrade(&gadget2));
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// 遍历 gadget_owner的gadgets字段
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for gadget_opt in gadget_owner.gadgets.borrow().iter() {
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// gadget_opt 是一个 Weak<Gadget> 。 因为 weak 指针不能保证他所引用的对象
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// 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
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// 断其所指向的对象是否存在。
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// 当然，Option为None的时候这个引用原对象就不存在了。
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let gadget = gadget_opt.upgrade().unwrap();
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println!("Gadget {} owned by {}", gadget.id, gadget.owner.name);
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}
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// 在main函数的最后， gadget_owner, gadget1和daget2都被销毁。
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// 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。
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// 首先 gadget1和gadget2被销毁。
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// 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。
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// 循环引用问题也就避免了
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}
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```
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#### tree数据结构
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```rust
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use std::cell::RefCell;
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use std::rc::{Rc, Weak};
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#[derive(Debug)]
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struct Node {
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value: i32,
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parent: RefCell<Weak<Node>>,
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children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
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}
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fn main() {
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let leaf = Rc::new(Node {
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value: 3,
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parent: RefCell::new(Weak::new()),
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children: RefCell::new(vec![]),
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});
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println!(
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"leaf strong = {}, weak = {}",
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Rc::strong_count(&leaf),
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|
Rc::weak_count(&leaf),
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);
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{
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let branch = Rc::new(Node {
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value: 5,
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|
|
parent: RefCell::new(Weak::new()),
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|
|
children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
|
|
|
});
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*leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
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println!(
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|
"branch strong = {}, weak = {}",
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|
Rc::strong_count(&branch),
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|
Rc::weak_count(&branch),
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|
);
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println!(
|
|
|
"leaf strong = {}, weak = {}",
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|
|
Rc::strong_count(&leaf),
|
|
|
Rc::weak_count(&leaf),
|
|
|
);
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|
|
}
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println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
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println!(
|
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|
"leaf strong = {}, weak = {}",
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|
|
Rc::strong_count(&leaf),
|
|
|
Rc::weak_count(&leaf),
|
|
|
);
|
|
|
}
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```
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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：）
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## unsafe解决循环引用
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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](https://codes.rs/unsafe/self-ref.html), 挺长的，需要耐心o,O
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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:
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- 性能高，毕竟直接用原生指针操作
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- 代码更简单更符合直觉: 对比下`Option<Rc<RefCell<Node>>>`
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## 总结
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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。
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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。 |
