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Rust?所有權機制原理深入剖析_Rust語言

作者：ooooooh灰灰 ? 更新時間： 2023-02-09 編程語言

what's ownership?

常見的高級語言都有自己的 Garbage Collection（GC）機制來管理程序運行的內存，例如 Java、Go 等。而 Rust 引入了一種全新的內存管理機制，就是 ownership（所有權）。它在編譯時就能夠保證內存安全，而不需要 GC 來進行運行時的內存回收。

在 Rust 中 ownership 有以下幾個規則：

  • 每個值都有一個 woner（所有者）
  • 在同一時間，每個值只能有一個 owner
  • 當 owner 離開作用域，這個值就會被丟棄

Scope (作用域)

通過作用域來劃分 owner 的生命周期，作用域是一段代碼的范圍，例如函數體、代碼塊、if 語句等。當 owner 離開作用域，這個值就會被丟棄。

example:

fn main() {
    let s = String::from("hello"); // 變量 s 進入作用域，分配內存
    // s 在這里可用
} // 函數體結束，變量 s 離開作用域，s 被丟棄，內存被回收

ownership transfer（所有權轉移）

和大多數語言一樣，Rust 在棧上分配基本類型的值，例如整型、浮點型、布爾型等。而在堆上分配復雜類型的值，例如 String、Vec 等。所以，這里就引入了兩個概念，move 和 clone。

move

move 操作會將變量的所有權轉移給另一個變量，這樣原來的變量就不能再使用了。這里需要注意的是，move 操作只會發生在棧上的值，因為在堆上的值是不可復制的，所以只能通過 clone 操作來復制。

example:

fn main(){
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;
    print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

在上面的代碼例子中，如果你執行就會在編譯時報錯：

  --> src/main.rs:11:32
   |
9  |     let s1 = String::from("hello");
   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
10 |     let s2 = s1;
   |              -- value moved here
11 |     print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
   |                                ^^ value borrowed here after move

編譯器提示我們，s1 在賦值給 s2 時發生了 move 的操作，它把字符串 hello 的所有權移交給了 s2，此時 s1 的作用域到這里就結束了，所以后面再使用 s1 就會報錯。

clone

clone 操作會將變量的值復制一份，這樣原來的變量和新的變量就都可以使用了。

這里需要注意的是，clone 操作只會發生在堆上的值，因為在棧上的值是可復制的，所以只能通過 move 操作來轉移所有權。

example:

fn main(){
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1.clone();
    print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

我們對 s1 進行 clone 操作，這樣 s1 和 s2 都可以使用了，而且 s1 的所有權也沒有被轉移，所以后面還可以繼續使用 s1。

copy

如果一個類型實現了 copy 這個 trait，使用它的變量不會移動，而是被簡單地復制，使它們在分配給另一個變量后仍然有效。

example:

fn main() {
    let x = 5;
    let y = x;
    print!("x = {}, y = {}", x, y);
}

當 x 賦值給 y 后，x 和 y 都可以使用，而且 x 的所有權也沒有被轉移，所以后面還可以繼續使用 x。這是因為 i32 這個類型實現了 copy 這個 trait，所以 x 的值被復制了一份，所以 x 和 y 都可以使用。

以下這些數據類型實現了 copy 這個 trait：

  • 所有的整數類型，例如：u32、i32。
  • 布爾類型，bool，有 true 和 false 兩個值。
  • 所有的浮點數類型，例如：f64、f32。
  • 字符類型，char。
  • 元組，當且僅當它們的元素類型都實現了 copy 這個 trait。例如，(i32, i32) 實現了 copy，但是 (i32, String) 就沒有實現。

References and Borrowing（引用和借用）

我們將創建引用的動作稱為借用。就像在現實生活中一樣，如果一個人擁有某樣東西，你可以向他們借用。完成后，您必須將其歸還。你不擁有它。 引用有以下幾個規則：

  • 在任何給定時間，你可以擁有任意數量的引用，但是只能擁有一個可變引用。
  • 引用必須總是有效的。

example1:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let len = calculate_length(&s1);
    println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}
fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
} // s 作用域失效，但是由于 s 是一個引用，沒有所有權，所以不會發生任何事情

上面代碼中，我們使用符號 & 來創造一個變量的引用。這里我們使用 &s1 來把這個引用指向 s1。函數 calculate_length 的參數 s 的類型是 &String，這意味著它是一個指向 String 類型的引用，然后在函數體內獲取 s 的長度并返回給調用者。

example2:

fn main(){
    // 同一時間可以擁有多個不可變引用
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = &s1;
    let s3 = &s1;
    println!("s1 = {}, s2 = {}, s3 = {}", s1, s2, s3);
}

Mutable References（可變引用）

可變引用指的是可以改變引用值的引用。在同一作用域中，同一時間只能有一個可變引用。

example:

fn main(){
    let mut s = String::from("hello");
    change(&mut s);
    println!("{}", s);
}
fn change(some_string: &mut String) {
    some_string.push_str(", world");
}

上面代碼中，我們用 mut 先創建了一個可變變量 s,然后使用 &mut s 創建了一個指向 s 的可變引用。函數 change 的入參也是一個指向 String 類型的可變引用，這樣我們就可以在函數 change 中改變 s 的值了。

example2:

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let r1 = &mut s;
    let r2 = &mut s;  // 在這里。編譯器會報錯，因為在同一作用域中，同一時間只能有一個可變引用。
    println!("{}, {}", r1, r2);
}

  --> src/main.rs:41:14
   |
40 |     let r1 = &mut s;
   |              ------ first mutable borrow occurs here
41 |     let r2 = &mut s;
   |              ^^^^^^ second mutable borrow occurs here
42 |
43 |     println!("{}, {}", r1, r2);
   |                        -- first borrow later used here

Dangling References（懸垂引用）

懸垂引用是指引用一個不存在的值。在 Rust 中，這是不可能的，因為編譯器會在編譯時就檢查這種情況。下面是一個例子：

fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle(); // 獲得一個指向不存在值的引用
}
fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("hello"); // s 進入作用域
    &s // 返回 s 的引用
} // s 作用域結束，s 被丟棄，內存被釋放

  --> src/main.rs:51:16
   |
51 | fn dangle() -> &String {
   |                ^ expected named lifetime parameter

因為變量 s 的作用域只在 dangle 函數內，當 dangle 函數返回 s 的引用時，s 已經被釋放了，所以這個引用就是懸垂引用了。 解決這個的方法是返回一個 String 而不是一個引用，這樣 s 就不會被釋放，而是把 s 的所有權轉移給了調用者，也就不存在懸垂引用了。

fn dangle() -> String {
    let s = String::from("hello");
    s
}

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7184247646293819451

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