4.Rust中的所有权（Rust成名绝技）

Rust成名绝技

Rust 之所以能成为万众瞩目的语言，就是因为其内存安全性。在以往，内存安全几乎都是通过 GC 的方式实现，但是 GC 会引来性能、内存占用以及全停顿等问题，在高性能场景、实时性要求高和系统编程上是不可接受的，因此 Rust 采用了所有权系统。这也是Rust核心、如果不理解所有权Rust就无法深入学习下去。

内存管理方案

所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成了重中之重，也是所有编程语言设计的难点之一。

手动管理

所有程序都需要和计算机内存打交道，学过C语言的都知道,C语言中我们需要手动管理内存空间。

int main() {
    int size;
    int *array;
    printf("Enter the size of the array: ");
    scanf("%d", &size);
    // 动态分配内存
    array = (int *)malloc(size * sizeof(int));
    if (array == NULL) {
        printf("Memory allocation failed.\n");
        return 1;
    }
    // 释放内存
    free(array);
    return 0;
}

手动管理内存会有什么问题呢？

内存泄漏：如果你分配了内存但没有显式释放，就会导致内存泄漏。内存泄漏会逐渐消耗可用内存，最终可能导致程序崩溃或运行缓慢。
悬空指针：如果你释放了一块内存，但后续仍然使用指向该内存的指针，就会导致悬挂指针。使用悬挂指针可能会导致未定义的行为，包括访问无效内存或者覆盖其他数据。
内存访问错误：手动分配内存时，需要确保不会越界访问分配的内存块。如果越界访问数组或者在访问已释放的内存，可能会导致程序崩溃或产生不可预测的结果。
多次释放：如果你多次释放同一块内存，会导致内存错误，可能会导致程序崩溃或者破坏其他数据。
内存碎片：频繁地分配和释放内存可能会导致内存碎片化，即内存空间被分割成多个小块，无法有效利用。这可能会降低程序的性能。

GC（garbage collection）垃圾回收

采用GC的代表性语言：Java、Go、Js。
这里以JS为例可以看我的这篇文章。

通过所有权来管理内存

代表语言Rust，这种方式，利用编译器在编译时进行规则检查，不会造成运行时的性能损耗，解下来我们详细介绍所有权的概念。

栈和堆是编程语言最核心的数据结构，但是在很多语言中，你并不需要深入了解栈与堆。但对于 Rust 这样的系统编程语言，值是位于栈上还是堆上非常重要, 因为这会影响程序的行为和性能。

栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。

栈

栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值，这也被称作后进先出。想象一下一叠盘子：当增加更多盘子时，把它们放在盘子堆的顶部，当需要盘子时，再从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子！

增加数据叫做进栈，移出数据则叫做出栈。

因为上述的实现方式，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间，假设数据大小是未知的，那么在取出数据时，你将无法取到你想要的数据。

堆

与栈不同，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上。

当向堆上放入数据时，需要请求一定大小的内存空间。操作系统在堆的某处找到一块足够大的空位，把它标记为已使用，并返回一个表示该位置地址的指针, 该过程被称为在堆上分配内存，有时简称为 “分配”(allocating)。

接着，该指针会被推入栈中，因为指针的大小是已知且固定的，在后续使用过程中，你将通过栈中的指针，来获取数据在堆上的实际内存位置，进而访问该数据。

由上可知，堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭: 进入餐馆，告知服务员有几个人，然后服务员找到一个够大的空桌子（堆上分配的内存空间）并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过桌号（栈上的指针）来找到你们坐在哪。

性能区别

在栈上分配内存比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需进行函数调用（或更慢的系统调用）来分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备，如果当前进程分配的内存页不足时，还需要进行系统调用来申请更多内存。因此，处理器在栈上分配数据会比在堆上分配数据更加高效。

所有权与堆栈

当你的代码调用一个函数时，传递给函数的参数（包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量）依次被压入栈中，当函数调用结束时，这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。

因为堆上的数据缺乏组织，因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的，否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。

对于其他很多编程语言，你确实无需理解堆栈的原理，但是在 Rust 中，明白堆栈的原理，对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助。

所有权

所有权规则：

每一个值同时只能被一个变量拥有。（值就像钞票，只能被一个人持有，毕竟钞票带编号没有相同的）
当所有者离开作用域范围，该值将被丢弃。

fn main(){
	let x = 1; // 1的所有权被x持有，x就是所有者。 
}

拷贝Copy trait

关于trait后面会介绍~。
在 Rust 中，实现了 Copy trait 的类型是可复制的。Copy trait 表示类型的值可以通过简单的位拷贝来复制，而不会发生所有权转移。当一个变量的值被复制到另一个变量时，原始变量仍然保留对其值的所有权。
以下是 Rust 标准库中一些常见的实现了 Copy trait 的类型：

所有的整数类型（如 i32、u64 等）
所有的浮点数类型（如 f32、f64 等）
bool 类型
字符类型 char
元组，只有当元组的所有元素都是可复制的时候才能拷贝

	let x = 1;
	let y = x;// 拷贝 x 的值到 y，x 仍然保留其所有权
	println!(x) // 1

可能有同学会有疑问：这种拷贝不消耗性能吗？实际上，这种栈上的数据足够简单，而且拷贝非常非常快，只需要复制一个整数大小（i32，4 个字节）的内存即可，因此在这种情况下，拷贝的速度远比在堆上创建内存来得快的多。

所有权转移

当变量离开作用域后，Rust 会自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过由于两个 String 变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s1 和 s2 离开作用域，它们都会尝试释放相同的内存。这是一个叫做二次释放（double free）的错误，也是之前提到过的内存安全性 BUG 之一。两次释放（相同）内存会导致内存污染，它可能会导致潜在的安全漏洞。
因此，Rust 这样解决问题：当 s1 被赋予 s2 后，Rust 认为 s1 不再有效，因此也无需在 s1 离开作用域后 drop 任何东西，这就是把所有权从 s1 转移给了 s2，s1 在被赋予 s2 后就马上失效了。
Rust对于实现了 Drop trait 的类型是不可复制的，因为它们可能会具有特殊的资源释放行为。当一个不可复制的类型的值被赋值给另一个变量时，所有权会被移动，而不是发生拷贝。例如：

	let s1 = String::from("hello Rust");
	let s2 = s1;
	println!("s1:{},s2:{}",s1,s2);

在这里插入图片描述
可以看到报错所有权已经转移，他没有实现Copy trait.

函数参数和返回值岁有权转移示例：

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 进入作用域

    takes_ownership(s);             // s 的值移动到函数里 ...
    println!(s)                     // ... 所以到这里不再有效会报错

    let x = 5;                      // x 进入作用域

    makes_copy(x);                  // x 应该移动函数里，
                                    // 但 i32 是 Copy 的，所以在后面可继续使用 x

} // 这里, x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
  // 所以不会有特殊操作

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。占用的内存被释放

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
    println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。不会有特殊操作