面试题：Rust借用规则在复杂数据结构中的应用

Question

假设有一个包含多个嵌套结构体的数据结构，且结构体之间存在相互引用关系。请说明如何运用Rust的借用规则来保证内存安全，同时避免引用循环造成的内存泄漏。给出相应的代码示例，并分析其中借用检查器的工作原理。

Answer 1

1. 运用Rust借用规则保证内存安全并避免引用循环的方法

• 使用Rc（引用计数智能指针）和Weak（弱引用智能指针）：Rc用于增加引用计数，当引用计数为0时，内存会被自动释放。Weak是一种弱引用，不会增加引用计数，可用于打破引用循环。

2. 代码示例

use std::rc::Rc;
use std::weak::Weak;

struct Node {
    data: i32,
    children: Vec<Rc<Node>>,
    parent: Weak<Node>,
}

impl Node {
    fn new(data: i32) -> Rc<Node> {
        Rc::new(Node {
            data,
            children: Vec::new(),
            parent: Weak::new(),
        })
    }

    fn add_child(&mut self, child: Rc<Node>) {
        self.children.push(child.clone());
        child.parent = Some(Rc::downgrade(&self));
    }
}

3. 借用检查器工作原理分析

• 借用规则检查：
  • 单一可变引用：在任何给定时间，一个值要么有一个可变引用，要么有多个不可变引用，但不能同时存在。在add_child方法中，&mut self获取可变引用，此时不能有其他对self的引用，确保了数据一致性。
  • 生命周期匹配：借用的生命周期必须小于等于被借用值的生命周期。child的生命周期由Rc管理，其生命周期在add_child方法调用结束后依然存在，parent弱引用的生命周期依赖于Rc管理的Node实例。
• 打破引用循环：Weak类型的parent引用不会增加Node实例的引用计数，从而打破了可能出现的引用循环。当所有Rc对某个Node实例的引用计数为0时，该实例及其所有相关内存会被释放，即使存在Weak引用也不会阻止释放。