在Rust编程中，内存安全是其核心优势之一，而智能指针作为Rust内存管理的关键工具，不仅提供了灵活的数据操作方式，还确保了高效和安全的内存管理。本文深入探讨Rust中智能指针的多种实现，包括Box、Rc、RefCell等，结合实际代码示例，带你掌握智能指针的用法及其在复杂场景中的应用。无论你是Rust新手还是进阶开发者，这篇文章都将为你揭开智能指针的奥秘，助你在Rust编程中更进一步！

智能指针是Rust中一类行为类似指针但具备额外元数据和功能的数据结构，能够有效管理内存并支持复杂的数据共享场景。本文从基础概念入手，详细介绍了Box在堆内存分配中的作用、Deref和Drop trait的实现原理、引用计数指针Rc的多重所有权机制，以及RefCell的内部可变性模式。文章还探讨了如何通过结合Rc和RefCell实现多重所有权的可变数据，并分析了循环引用可能导致的内存泄漏问题及使用Weak的解决方法。通过代码示例和场景分析，本文旨在帮助读者全面理解Rust智能指针的强大功能及其适用场景。

• 指针：一个变量在内存中包含的是一个地址（指向其它数据）

• Rust 中最常见的指针就是”引用“

• 引用：

  • 使用 &

  • 借用它指向的值

  • 没有其余开销

  • 最常见的指针类型

• 智能指针是这样一些数据结构：

  • 行为和指针相似

  • 有额外的元数据和功能

• 通过记录所有者的数量，使一份数据被多个所有者同时持有

• 并在没有任何所有者时自动清理数据

• 引用：只借用数据

• 智能指针：很多时候都拥有它所指向的数据

• String 和 Vec<T>

• 都拥有一片内存区域，且允许用户对其操作

• 还拥有元数据（例如容量等）

• 提供额外的功能或保障（String 保障其数据是合法的 UTF-8 编码）

• 智能指针通常使用 Struct 实现，并且实现了：

  • Deref 和 Drop 这两个 trait

• Deref trait：允许智能指针 struct 的实例像引用一样使用

• Drop trait：允许你自定义当智能指针实例走出作用域时的代码

• 介绍标准库中常见的智能指针

  • Box<T>：在 heap 内存上分配值

  • Rc<T>：启用多重所有权的引用计数类型

  • Ref<T>和RefMut<T>，通过 RefCell<T>访问：在运行时而不是编译时强制借用规则的类型

• 此外：

  • 内部可变模型（interior mutability pattern）：不可变类型暴露出可修改其内部值的 API

  • 引用循环（reference cycles）：它们如何泄露内存，以及如何防止其发生。

• Box<T> 是最简单的智能指针：

  • 允许你在 heap 上存储数据（而不是 stack）

  • stack 上是指向 heap 数据的指针

  • 没有性能开销

  • 没有其它额外功能

  • 实现了 Deref trait 和 Drop trait

• 在编译时，某类型的大小无法确定。但使用该类型时，上下文却需要知道它的确切大小。

• 当你有大量数据，想移交所有权，但需要确保在操作时数据不会被复制。

• 使用某个值时，你只关心它是否实现了特定的 trait，而不关心它的具体类型。

fn main() {
  let b = Box::new(5);
  println!("b = {}", b);
} // b 释放存在 stack 上的指针 heap上的数据

• 在编译时，Rust需要知道一个类型所占的空间大小

• 而递归类型的大小无法再编译时确定

• 但 Box 类型的大小确定

• 在递归类型中使用 Box 就可解决上述问题

• 函数式语言中的 Cons List

• Cons List 是来自 Lisp 语言的一种数据结构

• Cons List 里每个成员由两个元素组成

  • 当前项的值

  • 下一个元素

• Cons List 里最后一个成员只包含一个 Nil 值，没有下一个元素 （Nil 终止标记）

• 通常情况下，Vec 是更好的选择

• （例子）创建一个 Cons List

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
  let list = Cons(1, Cons(2, Cons(3, Nil)));
}

enum List {  // 报错
  Cons(i32, List),
  Nil,
}

• （例）Rust 如何确定为枚举分配的空间大小

enum Message {
  Quit,
  Move {x: i32, y: i32},
  Write(String),
  ChangeColor(i32, i32, i32),
}

• Box 是一个指针，Rust知道它需要多少空间，因为：

  • 指针的大小不会基于它指向的数据的大小变化而变化

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
  let list = Cons(1, 
    Box::new(Cons(2, 
      Box::new(Cons(3, 
        Box::new(Nil))))));
}

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

• Box：

  • 只提供了”间接“存储和 heap 内存分配的功能

  • 没有其它额外功能

  • 没有性能开销

  • 适用于需要”间接“存储的场景，例如 Cons List

  • 实现了 Deref trait 和 Drop trait

• 实现 Deref Trait 使我们可以自定义解引用运算符 * 的行为。

• 通过实现 Deref，智能指针可像常规引用一样来处理

• 常规引用是一种指针

fn main() {
  let x = 5;
  let y = &x;
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• Box<T> 可以替代上例中的引用

fn main() {
  let x = 5;
  let y = Box::new(x);
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• Box<T> 被定义成拥有一个元素的 tuple struct

• （例子）MyBox<T>

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  // 报错
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• 标准库中的 Deref trait 要求我们实现一个 deref 方法：

  • 该方法借用 self

  • 返回一个指向内部数据的引用

• （例子）

use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
  type Target = T;
  
  fn deref(&self) -> &T {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);  // *(y.deref())
}

• 隐式解引用转化（Deref Coercion）是为函数和方法提供的一种便捷特性

• 假设 T 实现了 Deref trait：

  • Deref Coercion 可以把 T 的引用转化为 T 经过 Deref 操作后生成的引用

• 当把某类型的引用传递给函数或方法时，但它的类型与定义的参数类型不匹配：

  • Deref Coercion 就会自动发生

  • 编译器会对 deref 进行一系列调用，来把它转为所需的参数类型

    • 在编译时完成，没有额外性能开销

use std::ops::Deref;

fn hello(name: &str) {
  println!("Hello, {}", name);
}

fn main() {
  let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
  
  // &m &MyBox<String> 实现了 deref trait
  // deref &String
  // deref &str
  hello(&m);
  hello(&(*m)[..]);
  
  hello("Rust");
}

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
  type Target = T;
  
  fn deref(&self) -> &T {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);  // *(y.deref())
}

• 可使用 DerefMut trait 重载可变引用的 * 运算符

• 在类型和 trait 在下列三种情况发生时，Rust会执行 deref coercion：

  • 当 T：Deref<Target=U>，允许 &T 转换为 &U

  • 当 T：DerefMut<Target=U>，允许 &mut T 转换为 &mut U

  • 当 T：Deref<Target=U>，允许 &mut T 转换为 &U

• 实现 Drop Trait，可以让我们自定义当值将要离开作用域时发生的动作。

  • 例如：文件、网络资源释放等

  • 任何类型都可以实现 Drop trait

• Drop trait 只要求你实现 drop 方法

  • 参数：对self 的可变引用

• Drop trait 在预导入模块里（prelude）

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 21:39:51
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 21:46:50
 * @FilePath: /smart/src/main.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE 
 */
struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

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

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
    let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
    println!("CustomSmartPointers created.")
}

运行

smart on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run         
   Compiling smart v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/smart)
warning: unused variable: `c`
  --> src/main.rs:20:9
   |
20 |     let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
   |         ^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore: `_c`
   |
   = note: `#[warn(unused_variables)]` on by default

warning: unused variable: `d`
  --> src/main.rs:21:9
   |
21 |     let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
   |         ^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore: `_d`

warning: `smart` (bin "smart") generated 2 warnings (run `cargo fix --bin "smart"` to apply 2 suggestions)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.53s
     Running `target/debug/smart`
CustomSmartPointers created.
Dropping CustomSmartPointer with data: `other stuff`!
Dropping CustomSmartPointer with data: `my stuff`!

smart on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 took 3.6s 

• 很难直接禁用自动的 drop 功能，也没必要

  • Drop trait 的目的就是进行自动的释放处理逻辑

• Rust 不允许手动调用 Drop trait 的 drop 方法

  • 但可以调用标准库的 std::mem::drop 函数，来提前 drop 值

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

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

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
   drop(c);
    let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
    println!("CustomSmartPointers created.")
}

• 有时，一个值会有多个所有者

• 为了支持多重所有权：Rc<T>

  • reference couting（引用计数）

  • 追踪所有到值的引用

  • 0 个引用：该值可以被清理掉

• 需要在 heap上分配数据，这些数据被程序的多个部分读取（只读），但在编译时无法确定哪个部分最后使用完这些数据

• Rc<T> 只能用于单线程场景

• Rc<T> 不在预导入模块（prelude）

• Rc::clone(&a) 函数：增加引用计数

• Rc::strong_count(&a)：获得引用计数

  • 还有 Rc::weak_count 函数

• （例子）

  • 两个 List 共享 另一个 List 的所有权

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:37:17
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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));  // 报错
}

优化修改一

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:45:15
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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)))));
    // a.clone() // 深度拷贝操作

    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    let c = Cons(4, Rc::clone(&a));  //
}

优化修改二

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:51:04
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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 of scope = {}", Rc::strong_count(&a));
}

• Rc::clone()：增加引用，不会执行数据的深度拷贝操作

• 类型的 clone()：很多会执行数据的深度拷贝操作

• Rc<T> 通过不可变引用，使你可以在程序不同部分之间共享只读数据

• 但是，如何允许数据变化呢？

• 内部可变性是Rust的设计模式之一

• 它允许你在只持有不可变引用的前提下对数据进行修改

  • 数据结构中使用了 unsafe 代码来绕过 Rust 正常的可变性和借用规则

• 与 Rc<T> 不同， RefCell<T> 类型代表了其持有数据的唯一所有权。

• 在任何给定的时间里，你要么只能拥有一个可变引用，要么只能拥有任意数量的不可变引用

• 引用总是有效的

Box<T>

• 编译阶段强制代码遵守借用规则

• 否则出现错误

RefCell<T>

• 只会在运行时检查借用规则

• 否则触发 panic

编译阶段

• 尽早暴露问题

• 没有任何运行时开销

• 对大多数场景是最佳选择

• 是Rust的默认行为

运行时

• 问题暴露延后，甚至到生产环境

• 因借用计数产生些许性能损失

• 实现某些特定的内存安全场景（不可变环境中修改自身数据）

• 与 Rc<T>相似，只能用于单线程场景

说明 Box<T> Rc<T> RefCell<T> 同一数据的所有者 一个 多个 一个 可变性、借用检查 可变、不可变借用（编译时检查） 不可变借用（编译时检查） 可变、不可变借用（运行时检查）

• 其中：即便 RefCell<T>本身不可变，但仍能修改其中存储的值

fn main() {
  let x = 5;
  let y = &mut x; // 报错 cannot borrow as mutable
}

例子：

pub trait Message {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: 'a + Message> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, value: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;
        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You're used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You're used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: Vec<String>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: vec![],
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&mut self, message: &str) { // 报错
            self.sent_messages.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);
        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.len(), 1);
    }
}

修改之后：

pub trait Message {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: 'a + Message> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, value: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;
        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You're used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You're used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: RefCell<Vec<String>>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: RefCell::new(vec![]),
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) { // 报错
            self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);
        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}

• 两个方法（安全接口）：

  • borrow 方法

    • 返回智能指针 Ref<T>，它实现了 Deref

  • borrow_mut 方法

    • 返回智能指针 RefMut<T>，它实现了 Deref

• RefCell<T> 会记录当前存在多少个活跃的 Ref<T> 和 RefMut<T> 智能指针：

  • 每次调用 borrow：不可变借用计数加1

  • 任何一个 Ref<T>的值离开作用域被释放时：不可变借用计数减1

  • 每次调用 borrow_mut：可变借用计数加1

  • 任何一下 RefMut<T> 的值离开作用域被释放时：可变借用计数减1

• 以此技术来维护借用检查规则：

  • 任何一个给定时间里，只允许拥有多个不可变借用或一个可变借用。

#[derive(Debug)]
enum List {
    Cons(Rc<RefCell<i32>>, Rc<List>),
    Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let value = Rc::new(RefCell::new(5));
    let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil)));
    let b = Cons(Rc::new(RefCell::new(6)), Rc::clone(&a));
    let c = Cons(Rc::new(RefCell::new(10)), Rc::clone(&a));

    *value.borrow_mut() += 10;

    println!("a after = {:?}", a);
    println!("b after = {:?}", b);
    println!("c after = {:?}", c);
}

运行

refdemo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run        
   Compiling refdemo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/refdemo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.58s
     Running `target/debug/refdemo`
a after = Cons(RefCell { value: 15 }, Nil)
b after = Cons(RefCell { value: 6 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))
c after = Cons(RefCell { value: 10 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))

refdemo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ 

• Cell<T>：通过复制来访问数据

• Mutex<T>：用于实现跨线程情形下的内部可变性模式

• Rust的内存安全机制可以保证很难发生内存泄漏，但不是不可能。

• 例如使用 Rc<T> 和 RefCell<T>就可能创造出循环引用，从而发生内存泄漏：

  • 每个项的引用数量不会变成0，值也不会被处理掉。

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

#[derive(Debug)]
enum List {
  Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
  Nil,
}

impl List {
  fn tail(&self) -> Option<&RefCell<Rc<List>>> {
    match self {
      Cons(_, item) => Some(item),
      Nil => None,
    }
  }
}

fn main() {
  let a = Rc::new(Cons(5, RefCell::new(Rc::new(Nil))));
  
  println!("a initial rc count = {}", Rc::strong_count(&a));
  println!("a next item = {:?}", a.tail());
  
  let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(Rc::clone(&a))));
  println!("a rc count after b creation = {}", Rc::strong_count(&a));
  println!("b initial rc count = {}", Rc::strong_count(&b));
  println!("b next item = {:?}", b.tail());
  
  if let Some(link) = a.tail() {
    *link.borrow_mut() = Rc::clone(&b);
  }
  
  println!("b rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&b));
  println!("a rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&a));
  
  // Uncomment the next line to see that we have a cycle;
  // it will overflow the stack.
  // println!("a next item = {:?}", a.tail());
}

• 依靠开发者来保证，不能依靠Rust

• 重新组织数据结构：一些引用来表达所有权，一些引用不表达所有权

  • 循环引用中的一部分具有所有权关系，另一部分不涉及所有权关系

  • 而只有所有权关系才影响值的清理

• Rc::clone为Rc<T>实例的 strong_count 加1，Rc<T>的实例只有在 strong_count 为0的时候才会被清理

• Rc<T>实例通过调用Rc::downgrade方法可以创建值的 Weak Reference （弱引用）

  • 返回类型是 Weak<T>（智能指针）

  • 调用 Rc::downgrade会为 weak_count 加 1

• Rc<T>使用 weak_count 来追踪存在多少Weak<T>

• weak_count 不为0并不影响Rc<T>实例的清理

• Strong Reference（强引用）是关于如何分享 Rc<T>实例的所有权

• Weak Reference（弱引用）并不表达上述意思

• 使用 Weak Reference 并不会创建循环引用：

  • 当 Strong Reference 数量为0的时候，Weak Reference 会自动断开

• 在使用 Weak<T>前，需保证它指向的值仍然存在：

  • 在Weak<T>实例上调用 upgrade 方法，返回Option<Rc<T>>

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  let branch = Rc::new(Node {
    value: 5,
    children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
  });
}

修改后：

use std::rc::{ Rc, Weak };
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  parent: RefCell<Weak<Node>>,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  println!("leaf parent - {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
  
  let branch = Rc::new(Node {
    value: 5,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
  });
  
  *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
  
  println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
}

修改后：

use std::rc::{ Rc, Weak };
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  parent: RefCell<Weak<Node>>,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  println!(
    "leaf strong = {}, weak = {}",
   Rc::strong_count(&leaf),
   Rc::weak_count(&leaf),
  );
  
  {
    let branch = Rc::new(Node {
      value: 5,
      parent: RefCell::new(Weak::new()),
      children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
    });
  
    *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);

    println!(
      "leaf strong = {}, weak = {}",
      Rc::strong_count(&branch),
      Rc::weak_count(&branch),
    );
    println!(
      "leaf strong = {}, weak = {}",
      Rc::strong_count(&leaf),
      Rc::weak_count(&leaf),
    );
  }
  
  println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
  println!(
    "leaf strong = {}, weak = {}",
    Rc::strong_count(&leaf),
    Rc::weak_count(&leaf),
  );
}

智能指针是Rust内存管理的核心组件，通过Box、Rc、RefCell等类型，Rust提供了灵活而安全的内存操作方式。Box适用于需要在堆上分配数据的场景，Rc解决了多重所有权的问题，而RefCell通过运行时借用检查实现了内部可变性。结合Rc和RefCell，开发者可以实现复杂的数据共享和修改逻辑，但需警惕循环引用导致的内存泄漏风险，Weak则为此提供了优雅的解决方案。掌握智能指针的使用，不仅能提升Rust代码的效率和安全性，还能帮助开发者应对复杂的内存管理需求。快来动手实践，探索Rust智能指针的无限可能吧！

• https://www.rust-lang.org/zh-CN

• https://crates.io/

• https://course.rs/about-book.html

• https://doc.rust-lang.org/stable/rust-by-example/

• https://nomicon.purewhite.io/

在Rust编程中，内存安全是其核心优势之一，而智能指针作为Rust内存管理的关键工具，不仅提供了灵活的数据操作方式，还确保了高效和安全的内存管理。本文深入探讨Rust中智能指针的多种实现，包括Box、Rc、RefCell等，结合实际代码示例，带你掌握智能指针的用法及其在复杂场景中的应用。无论你是Rust新手还是进阶开发者，这篇文章都将为你揭开智能指针的奥秘，助你在Rust编程中更进一步！

智能指针是Rust中一类行为类似指针但具备额外元数据和功能的数据结构，能够有效管理内存并支持复杂的数据共享场景。本文从基础概念入手，详细介绍了Box在堆内存分配中的作用、Deref和Drop trait的实现原理、引用计数指针Rc的多重所有权机制，以及RefCell的内部可变性模式。文章还探讨了如何通过结合Rc和RefCell实现多重所有权的可变数据，并分析了循环引用可能导致的内存泄漏问题及使用Weak的解决方法。通过代码示例和场景分析，本文旨在帮助读者全面理解Rust智能指针的强大功能及其适用场景。

• 指针：一个变量在内存中包含的是一个地址（指向其它数据）

• Rust 中最常见的指针就是”引用“

• 引用：

  • 使用 &

  • 借用它指向的值

  • 没有其余开销

  • 最常见的指针类型

• 智能指针是这样一些数据结构：

  • 行为和指针相似

  • 有额外的元数据和功能

• 通过记录所有者的数量，使一份数据被多个所有者同时持有

• 并在没有任何所有者时自动清理数据

• 引用：只借用数据

• 智能指针：很多时候都拥有它所指向的数据

• String 和 Vec<T>

• 都拥有一片内存区域，且允许用户对其操作

• 还拥有元数据（例如容量等）

• 提供额外的功能或保障（String 保障其数据是合法的 UTF-8 编码）

• 智能指针通常使用 Struct 实现，并且实现了：

  • Deref 和 Drop 这两个 trait

• Deref trait：允许智能指针 struct 的实例像引用一样使用

• Drop trait：允许你自定义当智能指针实例走出作用域时的代码

• 介绍标准库中常见的智能指针

  • Box<T>：在 heap 内存上分配值

  • Rc<T>：启用多重所有权的引用计数类型

  • Ref<T>和RefMut<T>，通过 RefCell<T>访问：在运行时而不是编译时强制借用规则的类型

• 此外：

  • 内部可变模型（interior mutability pattern）：不可变类型暴露出可修改其内部值的 API

  • 引用循环（reference cycles）：它们如何泄露内存，以及如何防止其发生。

• Box<T> 是最简单的智能指针：

  • 允许你在 heap 上存储数据（而不是 stack）

  • stack 上是指向 heap 数据的指针

  • 没有性能开销

  • 没有其它额外功能

  • 实现了 Deref trait 和 Drop trait

• 在编译时，某类型的大小无法确定。但使用该类型时，上下文却需要知道它的确切大小。

• 当你有大量数据，想移交所有权，但需要确保在操作时数据不会被复制。

• 使用某个值时，你只关心它是否实现了特定的 trait，而不关心它的具体类型。

fn main() {
  let b = Box::new(5);
  println!("b = {}", b);
} // b 释放存在 stack 上的指针 heap上的数据

• 在编译时，Rust需要知道一个类型所占的空间大小

• 而递归类型的大小无法再编译时确定

• 但 Box 类型的大小确定

• 在递归类型中使用 Box 就可解决上述问题

• 函数式语言中的 Cons List

• Cons List 是来自 Lisp 语言的一种数据结构

• Cons List 里每个成员由两个元素组成

  • 当前项的值

  • 下一个元素

• Cons List 里最后一个成员只包含一个 Nil 值，没有下一个元素 （Nil 终止标记）

• 通常情况下，Vec 是更好的选择

• （例子）创建一个 Cons List

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
  let list = Cons(1, Cons(2, Cons(3, Nil)));
}

enum List {  // 报错
  Cons(i32, List),
  Nil,
}

• （例）Rust 如何确定为枚举分配的空间大小

enum Message {
  Quit,
  Move {x: i32, y: i32},
  Write(String),
  ChangeColor(i32, i32, i32),
}

• Box 是一个指针，Rust知道它需要多少空间，因为：

  • 指针的大小不会基于它指向的数据的大小变化而变化

use crate::List::{Cons, Nil};

fn main() {
  let list = Cons(1, 
    Box::new(Cons(2, 
      Box::new(Cons(3, 
        Box::new(Nil))))));
}

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

• Box：

  • 只提供了”间接“存储和 heap 内存分配的功能

  • 没有其它额外功能

  • 没有性能开销

  • 适用于需要”间接“存储的场景，例如 Cons List

  • 实现了 Deref trait 和 Drop trait

• 实现 Deref Trait 使我们可以自定义解引用运算符 * 的行为。

• 通过实现 Deref，智能指针可像常规引用一样来处理

• 常规引用是一种指针

fn main() {
  let x = 5;
  let y = &x;
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• Box<T> 可以替代上例中的引用

fn main() {
  let x = 5;
  let y = Box::new(x);
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• Box<T> 被定义成拥有一个元素的 tuple struct

• （例子）MyBox<T>

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  // 报错
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);
}

• 标准库中的 Deref trait 要求我们实现一个 deref 方法：

  • 该方法借用 self

  • 返回一个指向内部数据的引用

• （例子）

use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
  type Target = T;
  
  fn deref(&self) -> &T {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);  // *(y.deref())
}

• 隐式解引用转化（Deref Coercion）是为函数和方法提供的一种便捷特性

• 假设 T 实现了 Deref trait：

  • Deref Coercion 可以把 T 的引用转化为 T 经过 Deref 操作后生成的引用

• 当把某类型的引用传递给函数或方法时，但它的类型与定义的参数类型不匹配：

  • Deref Coercion 就会自动发生

  • 编译器会对 deref 进行一系列调用，来把它转为所需的参数类型

    • 在编译时完成，没有额外性能开销

use std::ops::Deref;

fn hello(name: &str) {
  println!("Hello, {}", name);
}

fn main() {
  let m = MyBox::new(String::from("Rust"));
  
  // &m &MyBox<String> 实现了 deref trait
  // deref &String
  // deref &str
  hello(&m);
  hello(&(*m)[..]);
  
  hello("Rust");
}

struct MyBox<T>(T);

impl<T> MyBox<T> {
  fn new(x: T) -> MyBox<T> {
    MyBox(x)
  }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
  type Target = T;
  
  fn deref(&self) -> &T {
    &self.0
  }
}

fn main() {
  let x = 5;
  let y = MyBox::new(x);  
  
  assert_eq!(5, x);
  assert_eq!(5, *y);  // *(y.deref())
}

• 可使用 DerefMut trait 重载可变引用的 * 运算符

• 在类型和 trait 在下列三种情况发生时，Rust会执行 deref coercion：

  • 当 T：Deref<Target=U>，允许 &T 转换为 &U

  • 当 T：DerefMut<Target=U>，允许 &mut T 转换为 &mut U

  • 当 T：Deref<Target=U>，允许 &mut T 转换为 &U

• 实现 Drop Trait，可以让我们自定义当值将要离开作用域时发生的动作。

  • 例如：文件、网络资源释放等

  • 任何类型都可以实现 Drop trait

• Drop trait 只要求你实现 drop 方法

  • 参数：对self 的可变引用

• Drop trait 在预导入模块里（prelude）

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 21:39:51
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 21:46:50
 * @FilePath: /smart/src/main.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE 
 */
struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

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

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
    let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
    println!("CustomSmartPointers created.")
}

运行

smart on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run         
   Compiling smart v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/smart)
warning: unused variable: `c`
  --> src/main.rs:20:9
   |
20 |     let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
   |         ^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore: `_c`
   |
   = note: `#[warn(unused_variables)]` on by default

warning: unused variable: `d`
  --> src/main.rs:21:9
   |
21 |     let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
   |         ^ help: if this is intentional, prefix it with an underscore: `_d`

warning: `smart` (bin "smart") generated 2 warnings (run `cargo fix --bin "smart"` to apply 2 suggestions)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.53s
     Running `target/debug/smart`
CustomSmartPointers created.
Dropping CustomSmartPointer with data: `other stuff`!
Dropping CustomSmartPointer with data: `my stuff`!

smart on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 took 3.6s 

• 很难直接禁用自动的 drop 功能，也没必要

  • Drop trait 的目的就是进行自动的释放处理逻辑

• Rust 不允许手动调用 Drop trait 的 drop 方法

  • 但可以调用标准库的 std::mem::drop 函数，来提前 drop 值

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

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

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {data: String::from("my stuff")};
   drop(c);
    let d = CustomSmartPointer {data: String::from("other stuff")};
    println!("CustomSmartPointers created.")
}

• 有时，一个值会有多个所有者

• 为了支持多重所有权：Rc<T>

  • reference couting（引用计数）

  • 追踪所有到值的引用

  • 0 个引用：该值可以被清理掉

• 需要在 heap上分配数据，这些数据被程序的多个部分读取（只读），但在编译时无法确定哪个部分最后使用完这些数据

• Rc<T> 只能用于单线程场景

• Rc<T> 不在预导入模块（prelude）

• Rc::clone(&a) 函数：增加引用计数

• Rc::strong_count(&a)：获得引用计数

  • 还有 Rc::weak_count 函数

• （例子）

  • 两个 List 共享 另一个 List 的所有权

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:37:17
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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));  // 报错
}

优化修改一

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:45:15
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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)))));
    // a.clone() // 深度拷贝操作

    let b = Cons(3, Rc::clone(&a));
    let c = Cons(4, Rc::clone(&a));  //
}

优化修改二

/*
 * @Author: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @Date: 2023-04-13 22:32:41
 * @LastEditors: QiaoPengjun5162 qiaopengjun0@gmail.com
 * @LastEditTime: 2023-04-13 22:51:04
 * @FilePath: /smart/src/lib.rs
 * @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE
 */
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 of scope = {}", Rc::strong_count(&a));
}

• Rc::clone()：增加引用，不会执行数据的深度拷贝操作

• 类型的 clone()：很多会执行数据的深度拷贝操作

• Rc<T> 通过不可变引用，使你可以在程序不同部分之间共享只读数据

• 但是，如何允许数据变化呢？

• 内部可变性是Rust的设计模式之一

• 它允许你在只持有不可变引用的前提下对数据进行修改

  • 数据结构中使用了 unsafe 代码来绕过 Rust 正常的可变性和借用规则

• 与 Rc<T> 不同， RefCell<T> 类型代表了其持有数据的唯一所有权。

• 在任何给定的时间里，你要么只能拥有一个可变引用，要么只能拥有任意数量的不可变引用

• 引用总是有效的

Box<T>

• 编译阶段强制代码遵守借用规则

• 否则出现错误

RefCell<T>

• 只会在运行时检查借用规则

• 否则触发 panic

编译阶段

• 尽早暴露问题

• 没有任何运行时开销

• 对大多数场景是最佳选择

• 是Rust的默认行为

运行时

• 问题暴露延后，甚至到生产环境

• 因借用计数产生些许性能损失

• 实现某些特定的内存安全场景（不可变环境中修改自身数据）

• 与 Rc<T>相似，只能用于单线程场景

说明 Box<T> Rc<T> RefCell<T> 同一数据的所有者 一个 多个 一个 可变性、借用检查 可变、不可变借用（编译时检查） 不可变借用（编译时检查） 可变、不可变借用（运行时检查）

• 其中：即便 RefCell<T>本身不可变，但仍能修改其中存储的值

fn main() {
  let x = 5;
  let y = &mut x; // 报错 cannot borrow as mutable
}

例子：

pub trait Message {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: 'a + Message> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, value: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;
        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You're used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You're used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: Vec<String>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: vec![],
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&mut self, message: &str) { // 报错
            self.sent_messages.push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);
        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.len(), 1);
    }
}

修改之后：

pub trait Message {
    fn send(&self, msg: &str);
}

pub struct LimitTracker<'a, T: 'a + Message> {
    messenger: &'a T,
    value: usize,
    max: usize,
}

impl<'a, T> LimitTracker<'a, T>
where
    T: Messenger,
{
    pub fn new(messenger: &T, value: usize) -> LimitTracker<T> {
        LimitTracker {
            messenger,
            value: 0,
            max,
        }
    }

    pub fn set_value(&mut self, value: usize) {
        self.value = value;

        let percentage_of_max = self.value as f64 / self.max as f64;
        if percentage_of_max >= 1.0 {
            self.messenger.send("Error: You are over your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.9 {
            self.messenger
                .send("Urgent warning: You're used up over 90% of your quota!");
        } else if percentage_of_max >= 0.75 {
            self.messenger
                .send("Warning: You're used up over 75% of your quota!");
        }
    }
}
#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    use std::cell::RefCell;

    struct MockMessenger {
        sent_messages: RefCell<Vec<String>>,
    }

    impl MockMessenger {
        fn new() -> MockMessenger {
            MockMessenger {
                sent_messages: RefCell::new(vec![]),
            }
        }
    }

    impl Messenger for MockMessenger {
        fn send(&self, message: &str) { // 报错
            self.sent_messages.borrow_mut().push(String::from(message));
        }
    }

    #[test]
    fn it_sends_an_over_75_percent_warning_message() {
        let mock_messenger = MockMessenger::new();
        let mut limit_tracker = LimitTracker::new(&mock_messenger, 100);

        limit_tracker.set_value(80);
        assert_eq!(mock_messenger.sent_messages.borrow().len(), 1);
    }
}

• 两个方法（安全接口）：

  • borrow 方法

    • 返回智能指针 Ref<T>，它实现了 Deref

  • borrow_mut 方法

    • 返回智能指针 RefMut<T>，它实现了 Deref

• RefCell<T> 会记录当前存在多少个活跃的 Ref<T> 和 RefMut<T> 智能指针：

  • 每次调用 borrow：不可变借用计数加1

  • 任何一个 Ref<T>的值离开作用域被释放时：不可变借用计数减1

  • 每次调用 borrow_mut：可变借用计数加1

  • 任何一下 RefMut<T> 的值离开作用域被释放时：可变借用计数减1

• 以此技术来维护借用检查规则：

  • 任何一个给定时间里，只允许拥有多个不可变借用或一个可变借用。

#[derive(Debug)]
enum List {
    Cons(Rc<RefCell<i32>>, Rc<List>),
    Nil,
}

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let value = Rc::new(RefCell::new(5));
    let a = Rc::new(Cons(Rc::clone(&value), Rc::new(Nil)));
    let b = Cons(Rc::new(RefCell::new(6)), Rc::clone(&a));
    let c = Cons(Rc::new(RefCell::new(10)), Rc::clone(&a));

    *value.borrow_mut() += 10;

    println!("a after = {:?}", a);
    println!("b after = {:?}", b);
    println!("c after = {:?}", c);
}

运行

refdemo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ cargo run        
   Compiling refdemo v0.1.0 (/Users/qiaopengjun/rust/refdemo)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.58s
     Running `target/debug/refdemo`
a after = Cons(RefCell { value: 15 }, Nil)
b after = Cons(RefCell { value: 6 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))
c after = Cons(RefCell { value: 10 }, Cons(RefCell { value: 15 }, Nil))

refdemo on  master [?] is 📦 0.1.0 via 🦀 1.67.1 
➜ 

• Cell<T>：通过复制来访问数据

• Mutex<T>：用于实现跨线程情形下的内部可变性模式

• Rust的内存安全机制可以保证很难发生内存泄漏，但不是不可能。

• 例如使用 Rc<T> 和 RefCell<T>就可能创造出循环引用，从而发生内存泄漏：

  • 每个项的引用数量不会变成0，值也不会被处理掉。

use crate::List::{Cons, Nil};
use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

#[derive(Debug)]
enum List {
  Cons(i32, RefCell<Rc<List>>),
  Nil,
}

impl List {
  fn tail(&self) -> Option<&RefCell<Rc<List>>> {
    match self {
      Cons(_, item) => Some(item),
      Nil => None,
    }
  }
}

fn main() {
  let a = Rc::new(Cons(5, RefCell::new(Rc::new(Nil))));
  
  println!("a initial rc count = {}", Rc::strong_count(&a));
  println!("a next item = {:?}", a.tail());
  
  let b = Rc::new(Cons(10, RefCell::new(Rc::clone(&a))));
  println!("a rc count after b creation = {}", Rc::strong_count(&a));
  println!("b initial rc count = {}", Rc::strong_count(&b));
  println!("b next item = {:?}", b.tail());
  
  if let Some(link) = a.tail() {
    *link.borrow_mut() = Rc::clone(&b);
  }
  
  println!("b rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&b));
  println!("a rc count after changing a = {}", Rc::strong_count(&a));
  
  // Uncomment the next line to see that we have a cycle;
  // it will overflow the stack.
  // println!("a next item = {:?}", a.tail());
}

• 依靠开发者来保证，不能依靠Rust

• 重新组织数据结构：一些引用来表达所有权，一些引用不表达所有权

  • 循环引用中的一部分具有所有权关系，另一部分不涉及所有权关系

  • 而只有所有权关系才影响值的清理

• Rc::clone为Rc<T>实例的 strong_count 加1，Rc<T>的实例只有在 strong_count 为0的时候才会被清理

• Rc<T>实例通过调用Rc::downgrade方法可以创建值的 Weak Reference （弱引用）

  • 返回类型是 Weak<T>（智能指针）

  • 调用 Rc::downgrade会为 weak_count 加 1

• Rc<T>使用 weak_count 来追踪存在多少Weak<T>

• weak_count 不为0并不影响Rc<T>实例的清理

• Strong Reference（强引用）是关于如何分享 Rc<T>实例的所有权

• Weak Reference（弱引用）并不表达上述意思

• 使用 Weak Reference 并不会创建循环引用：

  • 当 Strong Reference 数量为0的时候，Weak Reference 会自动断开

• 在使用 Weak<T>前，需保证它指向的值仍然存在：

  • 在Weak<T>实例上调用 upgrade 方法，返回Option<Rc<T>>

use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  let branch = Rc::new(Node {
    value: 5,
    children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
  });
}

修改后：

use std::rc::{ Rc, Weak };
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  parent: RefCell<Weak<Node>>,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  println!("leaf parent - {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
  
  let branch = Rc::new(Node {
    value: 5,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
  });
  
  *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);
  
  println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
}

修改后：

use std::rc::{ Rc, Weak };
use std::cell::RefCell;

#[derive(Debug)]
struct Node {
  value: i32,
  parent: RefCell<Weak<Node>>,
  children: RefCell<Vec<Rc<Node>>>,
}

fn main() {
  let leaf = Rc::new(Node {
    value: 3,
    parent: RefCell::new(Weak::new()),
    children: RefCell::new(vec![]),
  });
  
  println!(
    "leaf strong = {}, weak = {}",
   Rc::strong_count(&leaf),
   Rc::weak_count(&leaf),
  );
  
  {
    let branch = Rc::new(Node {
      value: 5,
      parent: RefCell::new(Weak::new()),
      children: RefCell::new(vec![Rc::clone(&leaf)]),
    });
  
    *leaf.parent.borrow_mut() = Rc::downgrade(&branch);

    println!(
      "leaf strong = {}, weak = {}",
      Rc::strong_count(&branch),
      Rc::weak_count(&branch),
    );
    println!(
      "leaf strong = {}, weak = {}",
      Rc::strong_count(&leaf),
      Rc::weak_count(&leaf),
    );
  }
  
  println!("leaf parent = {:?}", leaf.parent.borrow().upgrade());
  println!(
    "leaf strong = {}, weak = {}",
    Rc::strong_count(&leaf),
    Rc::weak_count(&leaf),
  );
}

智能指针是Rust内存管理的核心组件，通过Box、Rc、RefCell等类型，Rust提供了灵活而安全的内存操作方式。Box适用于需要在堆上分配数据的场景，Rc解决了多重所有权的问题，而RefCell通过运行时借用检查实现了内部可变性。结合Rc和RefCell，开发者可以实现复杂的数据共享和修改逻辑，但需警惕循环引用导致的内存泄漏风险，Weak则为此提供了优雅的解决方案。掌握智能指针的使用，不仅能提升Rust代码的效率和安全性，还能帮助开发者应对复杂的内存管理需求。快来动手实践，探索Rust智能指针的无限可能吧！

• https://www.rust-lang.org/zh-CN

• https://crates.io/

• https://course.rs/about-book.html

• https://doc.rust-lang.org/stable/rust-by-example/

• https://nomicon.purewhite.io/