Rust 所有权机制原理深入剖析

目录

• what's ownership?
• Scope (作用域)
• ownership transfer（所有权转移）
• move
• clone
• copy
• References and Borrowing（引用和借用）
• Mutable References（可变引用）
• Dangling References（悬垂引用）

what's ownership?

常见的高级语言都有自己的 Garbage Collection（GC）机制来管理程序运行的内存，例如 Java、Go 等。而 Rust 引入了一种全新的内存管理机制，就是 ownership（所有权）。它在编译时就能够保证内存安全，而不需要 GC 来进行运行时的内存回收。

在 Rust 中 ownership 有以下几个规则：

• 每个值都有一个 woner（所有者）
• 在同一时间，每个值只能有一个 owner
• 当 owner 离开作用域，这个值就会被丢弃

Scope (作用域)

通过作用域来划分 owner 的生命周期，作用域是一段代码的范围，例如函数体、代码块、if 语句等。当 owner 离开作用域，这个值就会被丢弃。

example:

fn main() {
    let s = String::from("hello"); // 变量 s 进入作用域，分配内存
    // s 在这里可用
} // 函数体结束，变量 s 离开作用域，s 被丢弃，内存被回收

ownership transfer（所有权转移）

和大多数语言一样，Rust 在栈上分配基本类型的值，例如整型、浮点型、布尔型等。而在堆上分配复杂类型的值，例如 String、Vec 等。所以，这里就引入了两个概念，move 和 clone。

move

move 操作会将变量的所有权转移给另一个变量，这样原来的变量就不能再使用了。这里需要注意的是，move 操作只会发生在栈上的值，因为在堆上的值是不可复制的，所以只能通过 clone 操作来复制。

example:

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

在上面的代码例子中，如果你执行就会在编译时报错：

  --> 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

编译器提示我们，s1 在赋值给 s2 时发生了 move 的操作，它把字符串 hello 的所有权移交给了 s2，此时 s1 的作用域到这里就结束了，所以后面再使用 s1 就会报错。

clone

clone 操作会将变量的值复制一份，这样原来的变量和新的变量就都可以使用了。

这里需要注意的是，clone 操作只会发生在堆上的值，因为在栈上的值是可复制的，所以只能通过 move 操作来转移所有权。

example:

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

我们对 s1 进行 clone 操作，这样 s1 和 s2 都可以使用了，而且 s1 的所有权也没有被转移，所以后面还可以继续使用 s1。

copy

如果一个类型实现了 copy 这个 trait，使用它的变量不会移动，而是被简单地复制，使它们在分配给另一个变量后仍然有效。

example:

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

当 x 赋值给 y 后，x 和 y 都可以使用，而且 x 的所有权也没有被转移，所以后面还可以继续使用 x。这是因为 i32 这个类型实现了 copy 这个 trait，所以 x 的值被复制了一份，所以 x 和 y 都可以使用。

以下这些数据类型实现了 copy 这个 trait：

• 所有的整数类型，例如：u32、i32。
• 布尔类型，bool，有 true 和 false 两个值。
• 所有的浮点数类型，例如：f64、f32。
• 字符类型，char。
• 元组，当且仅当它们的元素类型都实现了 copy 这个 trait。例如，(i32, i32) 实现了 copy，但是 (i32, String) 就没有实现。

References and Borrowing（引用和借用）

我们将创建引用的动作称为借用。就像在现实生活中一样，如果一个人拥有某样东西，你可以向他们借用。完成后，您必须将其归还。你不拥有它。 引用有以下几个规则：

• 在任何给定时间，你可以拥有任意数量的引用，但是只能拥有一个可变引用。
• 引用必须总是有效的。

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 是一个引用，没有所有权，所以不会发生任何事情

上面代码中，我们使用符号 & 来创造一个变量的引用。这里我们使用 &s1 来把这个引用指向 s1。函数 calculate_length 的参数 s 的类型是 &String，这意味着它是一个指向 String 类型的引用，然后在函数体内获取 s 的长度并返回给调用者。

example2:

fn main(){
    // 同一时间可以拥有多个不可变引用
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = &s1;
    let s3 = &s1;
    println!("s1 = {}, s2 = {}, s3 = {}", s1, s2, s3);
}

Mutable References（可变引用）

可变引用指的是可以改变引用值的引用。在同一作用域中，同一时间只能有一个可变引用。

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");
}

上面代码中，我们用 mut 先创建了一个可变变量 s,然后使用 &mut s 创建了一个指向 s 的可变引用。函数 change 的入参也是一个指向 String 类型的可变引用，这样我们就可以在函数 change 中改变 s 的值了。

example2:

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let r1 = &mut s;
    let r2 = &mut s;  // 在这里。编译器会报错，因为在同一作用域中，同一时间只能有一个可变引用。
    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（悬垂引用）

悬垂引用是指引用一个不存在的值。在 Rust 中，这是不可能的，因为编译器会在编译时就检查这种情况。下面是一个例子：

fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle(); // 获得一个指向不存在值的引用
}
fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("hello"); // s 进入作用域
    &s // 返回 s 的引用
} // s 作用域结束，s 被丢弃，内存被释放

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

因为变量 s 的作用域只在 dangle 函数内，当 dangle 函数返回 s 的引用时，s 已经被释放了，所以这个引用就是悬垂引用了。 解决这个的方法是返回一个 String 而不是一个引用，这样 s 就不会被释放，而是把 s 的所有权转移给了调用者，也就不存在悬垂引用了。

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

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