Rust-所有权和移动语义

什么是所有权

拿C语言的代码来打个比方。我们可能会在堆上创建一个对象，然后使用一个指针来管理这个对象：

Foo *p =make_object("args");

接下来，我们可能需要使用这个对象：

use_object(p);

然而，这段代码之后，谁能猜得到，指针p指向的对象究竟发生了什么?它是否被修改过了?它还存在吗，是否已经被释放?是否有另外一个指针现在也同时指向这个对象?我们还能继续读取、修改或者释放这个对象吗?实际上，除了去了解use_object的内部实现之外，我们没办法回答以上问题。

对此，C++进行了一个改进，即通过“智能指针”来描述“所有权”(Ownership)概念。

这在一定程度上减少了内存使用bug,实现了“半自动化”的内存管理。

而Rust在此基础上更进一步，将“所有权”的理念直接融入到了语言之中。

“所有权”代表着以下意义：

每个值在Rust中都有一个变量来管理它，这个变量就是这个值、这块内存的所有者；
每个值在一个时间点上只有一个管理者；
当变量所在的作用域结束的时候，变量以及它代表的值将会被销毁。

拿前面已经讲过的字符串String类型来举例：

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当我们声明一个变量s,并用String类型对它进行初始化的时候，这个变量s就成了这个字符串的“所有者”。如果我们希望修改这个变量，可以使用mut修饰s,然后调用String类型的成员方法来实现。

当main函数结束的时候，s将会被析构，它管理的内存(不论是堆上的，还是栈上的)则会被释放。

我们一般把变量从出生到死亡的整个阶段，叫作一个变量的“生命周期”。

比如这个例子中的局部变量s,它的生命周期就是从let语句开始，到main函数结束。

在上述示例的基础上，若做一点修改：

在这里插入图片描述
这里出现了编译错误。编译器显示，在let s1 =s;语句中，原本由s拥有的字符串已经转移给了s1这个变量。所以，后面继续使用s是不对的。

也就是前面所说的每个值只有一个所有者。变量s的生命周期从声明开始，到move给s1就结束了。

变量s1的生命周期则是从它声明开始，到函数结束。

而字符串本身，由String::from函数创建出来，到函数结束的时候就会销毁。

中间所有权的转换，并不会将这个字符串本身重新销毁再创建。

在任意时刻，这个字符串只有一个所有者，要么是s,要么是s1。

在用变量s初始化s1的时候，并不会造成s的生命周期结束。

这里只会调用string类型的复制构造函数复制出一个新的字符串，于是在后面s1和s都是合法变量。

在Rust中，我们要模拟这一行为，需要手动调用clone()方法来完成：

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在Rust里面，不可以做“赋值运算符重载”,若需要“深复制”,必须手工调用clone方法。

这个clone方法来自于std::clone::Clone这个trait。clone方法里面的行为是可以自定义的。

移动语义

一个变量可以把它拥有的值转移给另外一个变量，称为“所有权转移”。

赋值语句、函数调用、函数返回等，都有可能导致所有权转移。

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所有权转移的步骤分解如下。

main函数调用create函数。
在调用create函数的时候创建了字符串，在栈上和堆上都分配有内存。局部变量s是这些内存的所有者。
create函数返回的时候，需要将局部变量s移动到函数外面，这个过程就是简单地按字节复制memcpy。
同理，在调用consume函数的时候，需要将main函数中的局部变量转移到consume函数，这个过程也是简单地按字节复制memcpy。
当consume函数结束的时候，它并没有把内部的局部变量再转移出来，这种情况下，consume内部局部变量的生命周期就该结束了。这个局部变量s生命周期结束的时候，会自动释放它所拥有的内存，因此字符串也就被释放了。

Rust中所有权转移的重要特点是，它是所有类型的默认语义。

这里再重复一遍，请大家牢牢记住，Rust中的变量绑定操作，默认是move语义，执行了新的变量绑定后，原来的变量就不能再被使用!一定要记住!

Rust的这一规定非常有利于编译器静态检查。

与之相对的，C++的做法就不一样了，它允许赋值构造函数、赋值运算符重载，因此在出现“构造”或者“赋值”操作的时候，有可能表达的是完全不同的含义，这取决于程序员如何实现重载。C++的这个设计具有巨大的灵活性，但是不恰当的实现也可能造成内存不安全。

而Rust的这一设计大幅降低了语言的复杂度，“移动语义”不可能执行用户的自定义代码，没有任何内存安全风险，而且满足异常安全。

在C++里面，std::vectorv1 =v2;是复制语义，而Rust里面的let v1:Vec=v2 ;是移动语义。如果要在Rust里面实现复制语义，需要显式写出函数调用let v1:Vec=v2.clone();。如果我们在C++中实现移动语义，则需要户自定义实现移动构造函数及移动赋值运算符。

对于“移动语义”,最后还需要强调的一点是，“语义”不代表最终的执行效率。

“语义”只是规定了什么样的代码是编译器可以接受的，以及它执行后的效果可以用怎样的思维模型去理解。

编译器有权在不改变语义的情况下做任何有利于执行效率的优化。

语义和优化是两个阶段的事情。我们可以把移动语义想象成执行了一个memcpy,但真实的汇编代码未必如此。比如：

在这里插入图片描述
完全可能被优化为类似如下的效果：

编译器可以提前在当前调用栈中把大对象的空间分配好，然后把这个对象的指针传递给子函数，由子函数执行这个变量的初始化。

这样就避免了大对象的复制工作，参数传递只是一个指针而已。

这么做是完全满足移动语义要求的，而且编译器还有权利做更多类似的优化。

复制语义

默认的move语义是Rust的一个重要设计，但是任何时候需要复制都去调用clone函数会显得非常烦琐。

对于一些简单类型，比如整数、bool,让它们在赋值的时候默认采用复制操作会让语言更简单。

比如下面这个程序就可以正常编译通过：

在这里插入图片描述

编译器并没有阻止v1被使用，这是为什么呢?

因为在Rust中有一部分“特殊照顾”的类型，其变量绑定操作是copy语义。

所谓的copy语义，是指在执行变量绑定操作的时候，v2是对v1所属数据的一份复制。

v1所管理的这块内存依然存在，并未失效，而v2是新开辟了一块内存，它的内容是从v1管理的内存中复制而来的。和手动调用clone方法效果一样，let v2 =v1;等效于let v2 =v1.clone();。

使用文件系统来打比方。

copy语义就像“复制、粘贴”操作。操作完成后，原来的数据依然存在，而新的数据是原来数据的复制品。

move语义就像“剪切、粘贴”操作。

操作完成后，原来的数据就不存在了，被移动到了新的地方。

这两个操作本身是一样的，都是简单的内存复制，区别在于复制完以后，原先那个变量的生命周期是否结束。

Rust中，在普通变量绑定、函数传参、模式匹配等场景下，凡是实现了std::marker::Copy trait的类型，都会执行copy语义。

基本类型，比如数字、字符、bool等，都实现了Copy trait,因此具备copy语义。

对于自定义类型，默认是没有实现Copy trait的，但是我们可以手动添上。示例如下：

在这里插入图片描述

编译通过。现在Foo类型也拥有了复制语义。在执行变量绑定、函数参数传递的时候，原来的变量不会失效，而是会新开辟一块内存，将原来的数据复制过来。

绝大部分情况下，实现Copy trait和Clone trait是一个非常机械化的、重复性的工作，clone方法的函数体要对每个成员调用一下clone方法。Rust提供了一个编译器扩展derive attribute,来帮我们写这些代码，其使用方式为#[derive(Copy,Clone)]。

只要一个类型的所有成员都具有Clone trait,我们就可以使用这种方法来让编译器帮我们实现Clone trait了。
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Box类型

Box类型是Rust中一种常用的指针类型。它代表“拥有所有权的指针”,类似于C++里面的unique_ptr(严格来说，unique_ptr更像Option<Box>)。

在这里插入图片描述 Box类型永远执行的是move语义，不能是copy语义。

原因大家想想就可以明白，Rust中的copy语义就是浅复制。对于Box这样的类型而言，浅复制必然会造成二次释放问题。

对于Rust里面的所有变量，在使用前一定要合理初始化，否则会出现编译错误。

对于Box/&T /&mut T这样的类型，合理初始化意味着它一定指向了某个具体的对象，不可能是空。

如果用户确实需要“可能为空的”指针，必须使用类型option<Box>。

Rust里面还有一个保留关键字box(注意是小写)。它可以用于把变量“装箱”到堆上。目前这个语法依然是unstable状态，需要打开feature gate才能使用，示例如下：

在这里插入图片描述

Copy的实现条件

并不是所有的类型都可以实现Copy trait。Rust规定，对于自定义类型，只有所有成员都实现了Copy trait,这个类型才有资格实现Copy trait。
 
常见的数字类型、bool类型、共享借用指针&,都是具有Copy属性的类型。而Box、Vec、可写借用指针&mut等类型都是不具备Copy属性的类型。

对于数组类型，如果它内部的元素类型是Copy,那么这个数组也是Copy类型。对于元组tuple类型，如果它的每一个元素都是Copy类型，那么这个tuple也是Copy类型。

struct和enum类型不会自动实现Copy trait。只有当struct和enum内部的每个元素都是Copy类型时，编译器才允许我们针对此类型实现Copy trait。比如下面这个类型，虽然它的成员是Copy类型，但它本身不是Copy类型：

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自动derive

绝大多数情况下，实现Copy Clone这样的trait都是一个重复而无聊的工作。因此，Rust提供了一个attribute,让我们可以利用编译器自动生成这部分代码。示例如下：
在这里插入图片描述
这里的derive会让编译器帮我们自动生成impl Copy和impl Clone这样的代码。自动生成的clone方法，会依次调用每个成员的clone方法。