Day25 - 智慧指標：Rc<T>

16th鐵人賽 rust

blueye

2024-10-09 02:29:45

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所有權的局限性

在 Rust 中，可以把所有權想像成「誰負責管理某個資料的生命週期」，也就是說當擁有某個數值的所有權，代表這個變數不論主動或被動，有義務把這個數值清掉。一般情況下，這種明確的單一所有權的機制已經足夠，這是我們可以在編譯時期就確定各個數值關係的情況。

然而，有些情況我們不知道這個數值應該給誰當所有者，想像一下圖資料結構，有多個邊指向同一個結點，這些邊概念上擁有這個節點，為了避免空指標，這個節點必須等到沒有任何一個邊指向它的時候才能被消除。

這聽起來和多個參考有點像，兩者的關鍵差異在於，能不能在編譯就確定誰最後擁有這個數值，如果可以確定，那這個點的生命週期就是跟著那個擁有者。不過如果程式執行後才知道誰是最後一個的話，單純的參考就無法處理這種情況，因為不知道誰是擁有者。

讓我們用之前介紹 Box<T> 的cons list 來說明這個問題，下圖展示了我們想要實作的結構，有的節點同時有複數個父節點：

實作的程式碼：

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)))); // a 有初始 cons list 的所有權
    let b = Cons(3, Box::new(a)); // a 的所有權轉移給 b 了
    let c = Cons(4, Box::new(a)); // 這裡會出錯，已經轉移的所有權不能再給 c
}

編譯器會報熟悉的所有權錯誤：

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

Rc 簡介

Rc<T> 就是 Rust 處理這種情況的解決方案，它是參考計數(reference counting)的簡寫，是內建計數的智慧指標，每多一個變數指向它，計數就會加一；有變數離開作用域，計數就會減一。計數歸零它指向的資料就會真的被釋放，所以只要還有人要用資料就不會被釋放。這樣可以保證不會產生任何無效參考，也可以避免沒有人去釋放。

需要注意 Rc<T> 只適用於單執行緒的情況，多執行緒要用另外一個型別 Arc<T> ，A 指的是原子性(atomic)，這是一個原子性參考的計數型別，它可以安全在多執行緒間共享而不會有 race condition 的風險。

至於什麼時候要用哪個看情境而定，因為原子性保證執行緒安全的同時也帶來額外的性能開銷。
Rc<T>和Arc<T>的用法相同，因此以下我們只專注在 Rc<T> 的情況。

觀察 Rc 如何共享所有權

我們直接來看 Rc<T> 的用法，我們把在所有權介紹時實作了 Drop 特徵的型別拿來用，方便觀察。

use std::rc::Rc; // Rc 不是預載入的，需要手動載入

struct MyStruct {
    name: String,
}

impl Drop for MyStruct {
    fn drop(&mut self) {
        println!("Dropping MyStruct with name: {}", self.name);
    }
}

impl MyStruct {
    fn new(name: String) -> Self {
        Self { name }
    }
}

fn main() {
    let owner1 = Rc::new(MyStruct::new(String::from("Rust")));  // 創建新的 Rc<T>
    let owner2 = Rc::clone(&owner1);  // 增加引用計數
    let owner3 = Rc::clone(&owner1);  // 再次增加引用計數

    println!("dropping owner1");
    drop(owner1);  // 減少引用計數

    println!("dropping owner3");
    drop(owner3);  // 再次減少引用計數

    println!("last line in main");
}  // owner2 離開作用域，引用計數歸零，MyStruct 被釋放

這樣的輸出如下：

dropping owner1
dropping owner3
last line in main
Dropping MyStruct with name: Rust

語法上， Rc::new 會初始化一開始的資料，把數值放到 Heap，同時計數從 1 開始，也就是 owner1 ，接著其他變數如果也想要使用這個數值可以直接用 Rc::clone 複製一份 owner1 的參考。這個動作並不會讓 Heap 上的資料複製一份，只是計數會再加一而已。

接著我們可以觀察到一個細節：不論變數是透過 new 或是 clone獲得所有權，他們的地位是相同的，可以看到即使 owner1 先被 drop 也不影響其他變數的使用，這就是共享所有權的概念。

上面的例子原有資料的釋放是在 owner2 離開作用域，計數歸零之後，會先看到 last line in main 才看到 Dropping MyStruct with name: Rust。

我們再調整一下，把 drop(owner2) 加進去。

fn main() {
    let owner1 = Rc::new(MyStruct::new(String::from("Rust")));
    let owner2 = Rc::clone(&owner1);
    let owner3 = Rc::clone(&owner1);

    println!("dropping owner1");
    drop(owner1);

    println!("dropping owner3");
    drop(owner3);

    println!("dropping owner2");
    drop(owner2);

    println!("last line in main");
}

來看看結果：

dropping owner1
dropping owner3
dropping owner2
Dropping MyStruct with name: Rust
last line in main

可以看到當 owner2 被 drop 之後 MyStruct 也被釋放了，因此 Dropping MyStruct with name: Rust 跑到 last line in main 之前。

觀察 Rc 的計數

再稍微調整一下來觀察計數的變化，Rc<T> 提供了一個關聯方法 strong_count 來確認目前的強引用計數。強引用計數決定了資源的生命週期，當強引用計數降到零時，資源會被釋放，本篇目前提到的計數都是指強引用計數。

fn main() {
    let owner1 = Rc::new(MyStruct::new(String::from("Rust")));
    println!("count after new owner1: {}", Rc::strong_count(&owner1));
    let owner2 = Rc::clone(&owner1);
    println!("count after clone owner2: {}", Rc::strong_count(&owner1));

    drop(owner2);
    println!("count after drop owner2: {}", Rc::strong_count(&owner1));

    {
        let owner3 = Rc::clone(&owner1);
        println!("count after clone owner3: {}", Rc::strong_count(&owner1));
    }
    println!("count after owner3 left: {}", Rc::strong_count(&owner1));

    drop(owner1);

    println!("last line in main");
}

輸出：

count after new owner1: 1
count after clone owner2: 2
count after drop owner2: 1
count after clone owner3: 2
count after owner3 released: 1
Dropping MyStruct with name: Rust
last line in main

這樣就可以觀察到每次 clone 計數都會加一，變數被 drop 或離開作用域就會減一。

Rc 是否違反所有權機制？

之前介紹所有權有提到其中一個規則：同時間只能有一個擁有者。
乍看之下 Rc<T> 打破了這個規則，實際上並沒有。
可以把 Rc<T> 視為唯一的所有權管理者實體，但它不是一般所有權擁有者的角色，並不會獨佔所有權。並且因為多了 Rc<T> 這一層，我們在程式層次的操作沒辦法直接針對 Rc<T> 實體，同時其他變數只是引用它，任何變數都沒辦法直接代表 Rc<T> 本身。
所以從資源的角度來看，Rc<T>還是它唯一的擁有者，所有對資源的操作都必須通過 Rc<T> 來進行。

結語

Rc<T> 提供了我們一個共享所有權的方式，讓我們可以處理編譯階段無法確認所有權擁有者的問題。
常見的使用情境是實現某些數據結構，如樹或圖，其中節點可能有多個父節點的情況。

不過相比於普通引用有些微的性能開銷，因為它需要維護引用計數，所以我們只在編譯階段無法確定所有權的情況才使用它。

Rc<T> 的機制保證即使共享所有權，只要擁有者還存在的情況下，數值就還是有效的。
然而，有一個限制是 Rc<T> 只提供不可變參考，因為它如果提供可變參考的話，可能就會造成資料競爭，而且 Rc<T> 本身沒有機制去分辨指向原始資料的是可變還是不可變參考。
需要共享所有權又可變資料的情況下，需要和 RefCell<T> 搭配使用， RefCell<T> 提供了內部可變性的機制，允許我們在不可變引用中修改數據。

同時，因為使用引用計數的機制，不可避免因為循環引用問題，例如兩個結構互相指向對方，導致記憶體洩漏(memory leak)，面對這種情況可以通過引入 Weak<T> 來解決，Weak<T> 是一個不增加強引用計數的弱引用。

接下來，我們會更深入介紹如何利用 RefCell<T> 和 Weak<T> 來解決內部可變性和循環引用問題。