導(dǎo)致Rust內(nèi)存泄漏的四種情況及如何修復(fù)
Rust的內(nèi)置所有權(quán)模型和編譯時(shí)檢查降低了內(nèi)存泄漏的可能性和風(fēng)險(xiǎn)，但它們?nèi)匀缓苡锌赡馨l(fā)生。
內(nèi)存泄漏不違反所有權(quán)規(guī)則，因此借用檢查器允許它們?cè)诰幾g時(shí)可以編譯通過(guò)。內(nèi)存泄漏是低效的，通常不是一個(gè)好主意，特別是在有資源限制的情況下。
另一方面，如果將不安全行為嵌入到unsafe塊中，它也會(huì)編譯通過(guò)。在這種情況下，無(wú)論操作是什么，內(nèi)存安全都是你的責(zé)任，例如指針解引用、手動(dòng)內(nèi)存分配或并發(fā)問題。
所有權(quán)和借用導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏
借用檢查器在編譯器執(zhí)行程序之前可以防止懸空引用、use-after-free錯(cuò)誤和編譯時(shí)的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。但是，在分配內(nèi)存時(shí)，如果沒有在整個(gè)執(zhí)行過(guò)程中刪除內(nèi)存，則可能發(fā)生內(nèi)存泄漏。
下面是如何實(shí)現(xiàn)雙重鏈表的一個(gè)例子。程序可以成功運(yùn)行，但會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題：
use std::rc::Rc;
use std::cell::RefCell;
struct Node {
value: i32,
next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
prev: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}
fn main() {
let first = Rc::new(RefCell::new(Node {
value: 1,
next: None,
prev: None,
}));
let second = Rc::new(RefCell::new(Node {
value: 2,
next: Some(Rc::clone(&first)),
prev: Some(Rc::clone(&first)),
}));
first.borrow_mut().next = Some(Rc::clone(&second));
first.borrow_mut().prev = Some(Rc::clone(&second));
println!("Reference count of first: {}", Rc::strong_count(&first));
println!("Reference count of second: {}", Rc::strong_count(&second));
}這個(gè)程序的問題發(fā)生在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的循環(huán)引用中，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。由于RC智能指針默認(rèn)情況下不處理循環(huán)引用，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都持有對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)引用，從而導(dǎo)致了循環(huán)引用。
在main函數(shù)執(zhí)行之后，second和first變量的引用計(jì)數(shù)將等于first的值，盡管它不再可訪問。這將導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，因?yàn)闆]有任何節(jié)點(diǎn)被釋放：
Reference count of first: 3
Reference count of second: 3可以通過(guò)以下方式修復(fù)這樣的情況：
- 對(duì)一個(gè)鏈路方向使用弱引用，如weak<T>
- 在函數(shù)結(jié)束前手動(dòng)打破循環(huán)
下面是在prev字段上使用弱指針來(lái)解決這個(gè)問題的例子：
use std::rc::{Rc, Weak};
use std::cell::RefCell;
struct Node {
value: i32,
next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
prev: Option<Weak<RefCell<Node>>>,
}
fn main() {
let first = Rc::new(RefCell::new(Node {
value: 1,
next: None,
prev: None,
}));
let second = Rc::new(RefCell::new(Node {
value: 2,
next: Some(Rc::clone(&first)),
prev: Some(Rc::downgrade(&first)),
}));
first.borrow_mut().next = Some(Rc::clone(&second));
first.borrow_mut().prev = Some(Rc::downgrade(&second));
println!("Reference count of first: {}", Rc::strong_count(&first));
println!("Reference count of second: {}", Rc::strong_count(&second));
println!("First value: {}", first.borrow().value);
println!("Second value: {}", second.borrow().value);
let next_of_first = first.borrow().next.as_ref().map(|r| r.borrow().value);
println!("Next of first: {}", next_of_first.unwrap());
let prev_of_second = second.borrow().prev.as_ref().unwrap().upgrade().unwrap();
println!("Prev of second: {}", prev_of_second.borrow().value);
}可以使用Weak<RefCell<Node>>來(lái)防止內(nèi)存泄漏，因?yàn)槿跻貌粫?huì)增加強(qiáng)引用計(jì)數(shù)，并且節(jié)點(diǎn)可以被釋放。
執(zhí)行結(jié)果如下：
Reference count of first: 2
Reference count of second: 2
First value: 1
Second value: 2
Next of first: 2
Prev of second: 1std::mem::forget函數(shù)
在必要時(shí)，可以有意地使用std::mem::forget函數(shù)來(lái)泄漏Rust項(xiàng)目中的內(nèi)存，編譯器認(rèn)為它是安全的。
即使沒有回收內(nèi)存，也不會(huì)有不安全的訪問或內(nèi)存問題。
std::mem::forget獲取值的所有權(quán)，并且在不運(yùn)行析構(gòu)函數(shù)的情況下forget它，由于內(nèi)存中保存的資源沒有被釋放，因此將存在內(nèi)存泄漏：
use std::mem;
fn main() {
let data = Box::new(42);
mem::forget(data);
}在運(yùn)行時(shí)，Rust跳過(guò)通常的清理過(guò)程，數(shù)據(jù)變量的值不會(huì)被刪除，并且為數(shù)據(jù)分配的內(nèi)存在函數(shù)執(zhí)行后泄漏。
使用unsafe塊泄漏內(nèi)存
在使用原始指針時(shí)，需要自己進(jìn)行內(nèi)存管理，這就有可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。以下是在unsafe塊中使用原始指針可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的原因：
fn main() {
let x = Box::new(42);
let raw = Box::into_raw(x);
unsafe {
println!("Memory is now leaked: {}", *raw);
}
}在這種情況下，內(nèi)存沒有顯式釋放，并且在運(yùn)行時(shí)將存在內(nèi)存泄漏。在程序執(zhí)行結(jié)束之后，內(nèi)存將被釋放，內(nèi)存使用效率較低。
故意用Box::leak泄漏內(nèi)存
Box::leak函數(shù)可以故意泄漏內(nèi)存，當(dāng)需要在整個(gè)運(yùn)行時(shí)使用一個(gè)值時(shí)，這種方式是正確的：
fn main() {
let x = Box::new(String::from("Hello, world!"));
let leaked_str: &'static str = Box::leak(x);
println!("Leaked string: {}", leaked_str);
}不要濫用這種方式，如果你需要靜態(tài)引用來(lái)滿足特定的API需求，那么Box::leak是有用的。
修復(fù)Rust中的內(nèi)存泄漏
修復(fù)內(nèi)存泄漏的黃金法則是從一開始就避免它們，除非你的用例需要這樣做。遵循所有權(quán)規(guī)則是一個(gè)好主意。事實(shí)上，通過(guò)借用檢查器，Rust實(shí)施了很好的內(nèi)存管理實(shí)踐：
1，當(dāng)你需要在不轉(zhuǎn)移所有權(quán)的情況下借用值時(shí)使用引用。
2，可以嘗試使用Miri工具來(lái)檢測(cè)未定義的行為并捕獲與內(nèi)存泄漏相關(guān)的錯(cuò)誤。
3，在自定義類型上實(shí)現(xiàn)Drop trait以清理內(nèi)存。
4，不要多余地使用std::mem::forget。檢查Box<T>，以便在值超出范圍時(shí)自動(dòng)清理堆內(nèi)存。
5，不要無(wú)緣無(wú)故地到處throw unsafe塊。
6，使用Rc<T>或Arc<T>共享變量所有權(quán)。
7，對(duì)于內(nèi)部可變性，使用RefCell<T>或Mutex<T>。如果需要確保安全的并發(fā)訪問，它們很有幫助。
遵循這些技巧應(yīng)該可以處理Rust程序中的所有內(nèi)存泄漏，以構(gòu)建低內(nèi)存需求的Rust程序。
總結(jié)
我們已經(jīng)了解了在Rust程序中如何發(fā)生內(nèi)存泄漏，以及如何在不同目的情況下模擬內(nèi)存泄漏，例如在運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存位置中使用持久變量等。了解Rust的所有權(quán)、借用和unsafe的基本原理可以幫助我們管理內(nèi)存和減少內(nèi)存泄漏。
