Rc<T>，引用计数智能指针

在大多数情况下，所有权是清晰的：您确切地知道哪个变量拥有给定值。但是，在某些情况下，单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，并且该节点在概念上由指向它的所有边拥有。除非没有边指向节点并且因此没有所有者，否则不应清理节点。

您必须使用 Rust 类型 Rc<T> 显式启用多个所有权，它是*引用计数*的缩写。 Rc<T> 类型跟踪对值的引用数量，以确定该值是否仍在使用中。如果对值的引用为零，则可以清理该值，而不会使任何引用无效。

想象一下，Rc<T> 就像家庭活动室里的电视机。当一个人进入观看电视时，他们会打开它。其他人可以进入房间观看电视。当最后一个人离开房间时，他们会关闭电视，因为它不再被使用。如果有人在其他人仍在观看电视时将其关闭，那么剩下的电视观众会感到愤怒！

当我们希望在堆上分配一些数据以供程序的多个部分读取，并且我们无法在编译时确定哪个部分将最后完成使用数据时，我们使用 Rc<T> 类型。如果我们知道哪个部分将最后完成，我们可以使该部分成为数据的所有者，并且在编译时强制执行的正常所有权规则将生效。

请注意，Rc<T> 仅用于单线程场景。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。

使用 Rc<T> 共享数据

让我们回到清单 15-5 中的 cons 列表示例。回想一下，我们使用 Box<T> 定义了它。这一次，我们将创建两个列表，它们都共享第三个列表的所有权。从概念上讲，这类似于图 15-3

Two lists that share ownership of a third list

图 15-3：两个列表，b 和 c，共享第三个列表 a 的所有权

我们将创建包含 5 然后是 10 的列表 a。然后我们将创建另外两个列表：以 3 开头的 b 和以 4 开头的 c。然后 b 和 c 列表都将继续到第一个包含 5 和 10 的 a 列表。换句话说，两个列表都将共享第一个包含 5 和 10 的列表。

尝试使用我们使用 Box<T> 定义的 List 来实现此场景将不起作用，如清单 15-17 所示

文件名：src/main.rs

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));
}

清单 15-17：演示不允许有两个使用 Box<T> 的列表尝试共享第三个列表的所有权

当我们编译此代码时，会收到此错误

$ 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

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，因此当我们创建 b 列表时，a 被移动到 b 中，并且 b 拥有 a。然后，当我们尝试在创建 c 时再次使用 a 时，我们不被允许这样做，因为 a 已经被移动了。

我们可以更改 Cons 的定义以改为持有引用，但那样我们就必须指定生命周期参数。通过指定生命周期参数，我们将指定列表中的每个元素都将至少与整个列表一样长。对于列表 15-17 中的元素和列表来说是这样，但并非在所有情况下都是如此。

相反，我们将更改 List 的定义，使用 Rc<T> 代替 Box<T>，如列表 15-18 所示。每个 Cons 变体现在都将持有一个值和一个指向 List 的 Rc<T>。当我们创建 b 时，我们将克隆 a 持有的 Rc<List>，而不是获取 a 的所有权，从而将引用数量从一个增加到两个，并让 a 和 b 共享该 Rc<List> 中数据的 所有权。我们还将在创建 c 时克隆 a，将引用数量从两个增加到三个。每次我们调用 Rc::clone 时，Rc<List> 中数据的引用计数都会增加，并且除非对它的引用为零，否则数据不会被清理。

文件名：src/main.rs

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));
}

列表 15-18：使用 Rc<T> 的 List 定义

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，我们创建包含 5 和 10 的列表，并将其存储在 a 中的新 Rc<List> 中。然后，当我们创建 b 和 c 时，我们调用 Rc::clone 函数，并将对 a 中的 Rc<List> 的引用作为参数传递。

我们可以调用 a.clone() 而不是 Rc::clone(&a)，但在这种情况下，Rust 的惯例是使用 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度复制。对 Rc::clone 的调用只会增加引用计数，这不会花费太多时间。数据的深度复制可能需要很长时间。通过使用 Rc::clone 进行引用计数，我们可以在视觉上区分深度复制类型的克隆和增加引用计数类型的克隆。在代码中查找性能问题时，我们只需要考虑深度复制克隆，而可以忽略对 Rc::clone 的调用。

克隆 Rc<T> 会增加引用计数

让我们更改列表 15-18 中的工作示例，以便我们可以看到在创建和删除对 a 中的 Rc<List> 的引用时引用计数的变化。

在列表 15-19 中，我们将更改 main，使其在列表 c 周围有一个内部作用域；然后我们可以看到当 c 超出作用域时引用计数如何变化。

文件名：src/main.rs

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)))));
    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));
}

列表 15-19：打印引用计数

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，这是通过调用 Rc::strong_count 函数获得的。此函数名为 strong_count 而不是 count，因为 Rc<T> 类型还有一个 weak_count；我们将在“防止循环引用：将 Rc<T> 转换为 Weak<T>”部分中看到 weak_count 的用途。

此代码打印以下内容

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
    Finished dev [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> 的初始引用计数为 1；然后每次我们调用 clone 时，计数都会增加 1。当 c 超出作用域时，计数会减少 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 特征的实现会在 Rc<T> 值超出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 和 a 在 main 结束时超出作用域时，计数变为 0，并且 Rc<List> 被完全清理。使用 Rc<T> 允许单个值拥有多个所有者，并且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> 允许您在程序的多个部分之间共享数据，仅供读取。如果 Rc<T> 也允许您拥有多个可变引用，则可能会违反第 4 章中讨论的一条借用规则：对同一位置的多个可变借用会导致数据竞争和不一致。但是能够改变数据是非常有用的！在下一节中，我们将讨论内部可变性模式和 RefCell<T> 类型，您可以将它们与 Rc<T> 结合使用来处理这种不可变性限制。