Rc<T>，引用计数智能指针

在大多数情况下，所有权是明确的：您确切地知道哪个变量拥有给定的值。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，多个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。除非没有边指向它，因此没有所有者，否则不应该清理节点。

您必须通过使用 Rust 类型 Rc<T> 显式启用多重所有权，它是引用计数的缩写。Rc<T> 类型跟踪值的引用数量，以确定该值是否仍在使用。如果某个值的引用数为零，则可以清理该值，而不会有任何引用变为无效。

将 Rc<T> 想象成家庭房间里的电视。当一个人进入房间看电视时，他们会打开电视。其他人可以进入房间看电视。当最后一个人离开房间时，他们会关掉电视，因为它不再被使用。如果有人在其他人还在看电视时关掉电视，剩下的电视观众会一片哗然！

当我们想在堆上分配一些数据，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最后完成使用数据时，我们会使用 Rc<T> 类型。如果我们知道哪个部分会最后完成，我们可以让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会生效。

请注意，Rc<T> 仅用于单线程场景。当我们讨论第 16 章中的并发时，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

我们将创建列表 a，其中包含 5 和 10。然后我们将创建另外两个列表：b 以 3 开头，c 以 4 开头。然后，b 和 c 列表都将继续到包含 5 和 10 的第一个 a 列表。换句话说，两个列表将共享包含 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：演示我们不允许使用两个 Box<T> 的列表，它们试图共享第三个列表的所有权

当我们编译这段代码时，会得到这个错误

$ 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 变体拥有它们保存的数据，因此当我们创建 b 列表时，a 会移动到 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，我们不允许这样做，因为 a 已被移动。

我们可以更改 Cons 的定义以保持引用，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至少与整个列表一样长。对于清单 15-17 中的元素和列表来说，情况就是如此，但在并非所有情况下都如此。

相反，我们将更改 List 的定义以使用 Rc<T> 代替 Box<T>，如清单 15-18 所示。每个 Cons 变体现在将保存一个值和一个指向 List 的 Rc<T>。当我们创建 b 时，我们不会取得 a 的所有权，而是克隆 a 持有的 Rc<List>，从而将引用数从一增加到二，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，从而将引用数从二增加到三。每次我们调用 Rc::clone 时，Rc<List> 内数据的引用计数都会增加，除非对其的引用数为零，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));
}

清单 15-18：使用 Rc<T> 的 List 定义

我们需要添加一个 use 语句，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 Rust 的惯例是在这种情况下使用 Rc::clone。Rc::clone 的实现不像大多数类型的 clone 实现那样对所有数据进行深拷贝。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，我们可以直观地区分深拷贝类型的克隆和增加引用计数的克隆类型。当在代码中寻找性能问题时，我们只需要考虑深拷贝克隆，而可以忽略对 Rc::clone 的调用。

克隆 Rc<T> 会增加引用计数

让我们更改清单 15-18 中的工作示例，以便我们可以看到在我们创建和删除对 a 中的 Rc<List> 的引用时，引用计数如何变化。

在清单 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));
}

清单 15-19：打印引用计数

在程序中引用计数变化的每个点，我们都会打印引用计数，我们通过调用 Rc::strong_count 函数来获取该引用计数。此函数被命名为 strong_count 而不是 count，因为 Rc<T> 类型还有一个 weak_count；我们将在“防止引用循环：将 Rc<T> 转换为 Weak<T>”部分中了解 weak_count 的用途。

这段代码打印出以下内容

$ 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> 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。我们不必调用函数来减少引用计数，就像我们必须调用 Rc::clone 来增加引用计数一样：当 Rc<T> 值超出作用域时，Drop trait 的实现会自动减少引用计数。

在这个例子中我们看不到的是，当 b 然后 a 在 main 的末尾超出作用域时，计数为 0，并且 Rc<List> 被完全清理。使用 Rc<T> 允许单个值具有多个所有者，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> 允许您仅在程序的多个部分之间共享数据以进行读取。如果 Rc<T> 也允许您拥有多个可变引用，则您可能会违反第 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会导致数据竞争和不一致。但是能够修改数据非常有用！在下一节中，我们将讨论内部可变性模式和 RefCell<T> 类型，您可以将其与 Rc<T> 结合使用来处理此不可变性限制。