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解讀Rust的Rc<T>:實(shí)現(xiàn)多所有權(quán)的智能指針方式

更新時(shí)間：2025年02月25日 10:58:27 作者：Hello.Reader

Rc<T> 是 Rust 中用于多所有權(quán)的引用計(jì)數(shù)類型,通過增加引用計(jì)數(shù)來管理共享數(shù)據(jù),只有當(dāng)最后一個(gè)引用離開作用域時(shí),數(shù)據(jù)才會(huì)被釋放,Rc<T> 適用于單線程環(huán)境,并且只允許不可變共享數(shù)據(jù)；需要可變共享時(shí)應(yīng)考慮使用 RefCell<T> 或其他解決方案

為什么需要多所有權(quán)？

通常，我們習(xí)慣于每個(gè)值只有一個(gè)所有者，這樣編譯器在值離開作用域時(shí)就能自動(dòng)釋放資源。然而，在某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)被多個(gè)其他結(jié)構(gòu)同時(shí)引用——比如圖結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)或共享鏈表的一部分。

對(duì)于這種場(chǎng)景，如果只使用單一所有權(quán)，編譯器會(huì)因?yàn)樗袡?quán)轉(zhuǎn)移而拒絕編譯，或者你不得不引入復(fù)雜的生命周期標(biāo)注來保證所有引用都是合法的。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

你有一個(gè)鏈表 a，其中包含了數(shù)字 5 和 10；然后你希望創(chuàng)建另外兩個(gè)鏈表 b 和 c，它們都共享 a 這個(gè)子鏈表。
如果采用 Box<T> 來實(shí)現(xiàn)鏈表，由于所有權(quán)在移動(dòng)時(shí)會(huì)被轉(zhuǎn)移，a 無法同時(shí)被 b 和 c 擁有，從而導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。

Rc<T> 的核心思想

Rc<T> 通過引用計(jì)數(shù)（Reference Counting）來實(shí)現(xiàn)多所有權(quán)。其基本原理可以類比家庭中的電視機(jī)：

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)人進(jìn)入房間觀看電視時(shí)，電視就“開機(jī)”，也就是創(chuàng)建了一個(gè) Rc<T> 實(shí)例。
其他人進(jìn)入房間時(shí)，只需要“增加引用計(jì)數(shù)”（調(diào)用 Rc::clone），電視依然保持開啟狀態(tài)。
當(dāng)某個(gè)觀眾離開時(shí)，引用計(jì)數(shù)會(huì)減少；只有當(dāng)最后一個(gè)觀眾離開，引用計(jì)數(shù)降為 0 時(shí)，電視才會(huì)關(guān)閉，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也會(huì)被釋放。

使用 Rc<T>，我們無需明確指定哪個(gè)部分擁有數(shù)據(jù)，而是依靠引用計(jì)數(shù)保證只要還有任何部分在使用數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)就不會(huì)被清理。

使用 Rc<T> 分享數(shù)據(jù)

下面是一個(gè)使用 Rc<T> 的例子，這個(gè)例子演示了如何讓兩個(gè)鏈表共享同一個(gè)子鏈表。

我們首先定義一個(gè)鏈表類型，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用 Rc<List> 來持有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用：

use std::rc::Rc;

enum List {
    Cons(i32, Rc<List>),
    Nil,
}

use List::{Cons, Nil};

fn main() {
    // 創(chuàng)建共享的鏈表 a：包含 5 和 10
    let a = Rc::new(Cons(5, Rc::new(Cons(10, Rc::new(Nil)))));
    
    println!("a 引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a)); // 輸出 1

    // 創(chuàng)建鏈表 b，通過克隆 a 來共享其所有權(quán)
    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    println!("a 引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a)); // 輸出 2

    {
        // 在一個(gè)新的作用域中創(chuàng)建鏈表 c，同樣共享 a
        let c = Cons(4, Rc::clone(&a));
        println!("a 引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a)); // 輸出 3

        // c 離開作用域時(shí)，引用計(jì)數(shù)會(huì)自動(dòng)減少
    }
    
    println!("a 引用計(jì)數(shù) = {}", Rc::strong_count(&a)); // 輸出 2
}

在這個(gè)例子中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè) Rc<List> 實(shí)例 a。隨后，通過調(diào)用 Rc::clone(&a)，將 a 的所有權(quán)分別傳遞給鏈表 b 和 c。需要注意的是，Rc::clone 只是增加了引用計(jì)數(shù)，而并沒有進(jìn)行深拷貝，因此效率很高。

通過調(diào)用 Rc::strong_count，我們可以在程序中查看引用計(jì)數(shù)的變化情況。當(dāng) c 離開作用域后，計(jì)數(shù)自動(dòng)減 1，直到最后當(dāng)所有引用都離開作用域時(shí)，引用計(jì)數(shù)歸零，數(shù)據(jù)便會(huì)被清理掉。

Rc<T> 的限制

雖然 Rc<T> 提供了方便的多所有權(quán)機(jī)制，但它只能用于單線程場(chǎng)景。這是因?yàn)橐糜?jì)數(shù)的修改并不是線程安全的。如果需要在多線程環(huán)境下共享數(shù)據(jù)，可以使用類似 Arc<T>（原子引用計(jì)數(shù)）的類型，它在內(nèi)部使用原子操作來保證多線程安全。

另外，Rc<T> 只允許不可變引用的共享。如果需要在共享數(shù)據(jù)上進(jìn)行修改，必須結(jié)合使用內(nèi)部可變性模式，比如將 Rc<T> 和 RefCell<T> 組合起來，從而在運(yùn)行時(shí)檢查借用規(guī)則。

總結(jié)

多所有權(quán)需求：在某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，一個(gè)值可能會(huì)被多個(gè)部分共享，傳統(tǒng)的單一所有權(quán)模式無法滿足需求。
引用計(jì)數(shù)原理：Rc<T> 通過引用計(jì)數(shù)來管理共享數(shù)據(jù)，只有當(dāng)最后一個(gè)引用離開作用域時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)被釋放。
高效克隆：調(diào)用 Rc::clone 只會(huì)增加引用計(jì)數(shù)，不會(huì)進(jìn)行深拷貝，因而非常高效。
限制：Rc<T> 適用于單線程環(huán)境，并且只允許不可變共享數(shù)據(jù)；需要可變共享時(shí)應(yīng)考慮使用 RefCell<T> 或其他解決方案。

通過 Rc<T>，Rust 為我們提供了一種簡(jiǎn)單而安全的方式來實(shí)現(xiàn)多所有權(quán)，使得共享數(shù)據(jù)的管理變得更加直觀和高效。希望這篇博客能幫助你更好地理解和應(yīng)用 Rust 中的多所有權(quán)機(jī)制，提升代碼的靈活性與安全性。Happy coding!

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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