Rust-06-所有权

news2024/11/24 6:29:11

所有权（系统）是 Rust 最为与众不同的特性，它让 Rust 无需垃圾回收即可保障内存安全，下面是所有权以及相关功能：借用（borrowing）、slice 以及 Rust 如何在内存中布局数据。
通过所有权系统管理内存，编译器在编译时会根据一系列的规则进行检查。如果违反了任何这些规则，程序都不能编译。在运行时，所有权系统的任何功能都不会减慢程序。

所有权

所有权规则

  1. Rust 中的每一个值都有一个 所有者（变量）。
  2. 值在任一时刻有且只有一个所有者。
  3. 当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。
fn main() {

    { // s 在这里无效,因为还没有声名
        let s = "hello world!";
        // 使用变量s
    } // 作用域结束,s 不再有效
    
}

当 s 离开作用域的时候。当变量离开作用域，Rust 为我们调用一个特殊的函数。这个函数叫做 drop ，在这里 String 的
作者可以放置释放内存的代码。Rust 在结尾的 } 处自动调用 drop

变量与数据交互的方式（一）：移动

    // 直接拷贝值
    let x = 10;
    let y = x;

    println!("{} {}", x,y);

    // 更改引用,不拷贝值
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;


    println!("{s1} {s2}");

从string类型内存布局可以看出
在这里插入图片描述当我们将 s1 赋值给 s2 ，String 的数据被复制了，这意味着我们从栈上拷贝了它的指针、长度和容量。我们并没有复制指针指向的堆上数据。
在这里插入图片描述
如果直接拷贝堆上的数据，那么操作 s2 = s1 在堆上数据比较大的时候会对运行时性能造成非常大的影响。
过当变量离开作用域后，Rust 自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过上图展示了两个数据指针指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s2 和 s1 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。

如果使用以下代码

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

会产生如下错误,因为 Rust 禁止你使用无效的引用。

error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
  --> src\main.rs:56:15
   |
54 |     let s1 = String::from("hello");
   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
55 |     let s2 = s1;
   |              -- value moved here
56 |     println!("{s1}");
   |               ^^^^ value borrowed here after move
   |
   = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider cloning the value if the performance cost is acceptable
   |
55 |     let s2 = s1.clone();
   |                ++++++++

如果你在其他语言中听说过术语 浅拷贝（shallow copy）和 深拷贝（deep copy），那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据可能听起来像浅拷贝。不过因为 Rust 同时使第一个变量无效了，这个操作被称为 移动（move），而不是叫做浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被 移动 到了s2 中。
在这里插入图片描述
这样就解决了我们的问题！因为只有 s2 是有效的，当其离开作用域，它就释放自己的内存。另外，这里还隐含了一个设计选择：Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何自动 的复制都可以被认为是对运行时性能影响较小的。

变量与数据交互的方式（二）：克隆

如果我们确实需要深度复制 String 中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做 clone 的通用函数。

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

这里堆上的数据确实被复制了。

Rust 有一个叫做 Copy trait 的特殊注解可以用在类似整型这样的存储在栈上的类型上,如果一个类型实现了 Copy trait，那么一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。
以下是实现了 Copy trait的特殊类型,后续会谈到。
• 所有整数类型，比如 u32 。
• 布尔类型，bool ，它的值是 true 和 false 。
• 所有浮点数类型，比如 f64 。
• 字符类型，char 。
• 元组，当且仅当其包含的类型也都实现 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 实现了 Copy ，但
(i32, String) 就没有。

所有权和函数

将值传递给函数与给变量赋值的原理相似。向函数传递值可能会移动或者复制，就像赋值语句一样。

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 ...
 // ... 所以到这里不再有效
 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，
 // 没有特殊之处
 
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。没有特殊之处

返回值与作用域

返回值也可以转移所有权。

fn main() {
 let s1 = gives_ownership(); // gives_ownership 将返回值
 // 转移给 s1
 let s2 = String::from("hello"); // s2 进入作用域
 let s3 = takes_and_gives_back(s2); // s2 被移动到
 // takes_and_gives_back 中，
 // 它也将返回值移给 s3
} // 这里，s3 移出作用域并被丢弃。s2 也移出作用域，但已被移走，
 // 所以什么也不会发生。s1 离开作用域并被丢弃
fn gives_ownership() -> String { // gives_ownership 会将返回值移动给调用它的函数
 let some_string = String::from("yours"); // some_string 进入作用域。
 some_string // 返回 some_string 
 // 并移出给调用的函数
}
// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 进入作用域
 a_string // 返回 a_string 并移出给调用的函数
}

变量的所有权总是遵循相同的模式：将值赋给另一个变量时移动它。当持有堆中数据值的变量离开作用域时，其值将通过 drop 被清理掉，除非数据被移动为另一个变量所有。

引用与借用

使用&符号
与使用 & 引用相反的操作是 解引用（dereferencing），它使用解引用运算符 *
引用像一个指针，因为它是一个地址，我们可以由此访问储存于该地址的属于其他变量的数据。 与指针不同，引用确保指向某个特定类型的有效值。下面是如何定义并使用一个（新的）calculate_length 函数，它以一个对象的引用作为参数而不是获取值的所有权：

    fn main() {
        let s1 = String::from("hello");
        // 传一个引用进去
        let len = calculate_length(&s1);
        println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
    }
    fn calculate_length(s: &String) -> usize {
        s.len()
    }

在这里插入图片描述
&s1 语法让我们创建一个指向值 s1 的引用，但是并不拥有它。因为并不拥有这个值，所以当引用停止使用时，它所指向的值也不会被丢弃。
我们将创建一个引用的行为称为 借用（borrowing）。正如现实生活中，如果一个人拥有某样东西，你可以从他那里借来。当你使用完毕，必须还回去。我们并不拥有它。正如变量默认是不可变的，引用也一样。（默认）不允许修改引用的值。
在这里插入图片描述

虽然是不可变的，但是编译器已经给出了解决办法，那就是和变量一样，使用mut，微调一下上面代码

fn main() {
    let mut s1 = String::from("hello");
    // 传一个引用进去
    change(&mut s1);
    println!("{s1}");

}
fn change(s: &mut String) {
    s.push_str("hello");
}

可变引用有一个很大的限制：如果你有一个对该变量的可变引用，你就不能再创建对该变量的引用。这些尝试创建两个 s 的可变引用的代码会失败：

fn main() {
    let mut s1 = String::from("hello");
    let r1 = &mut s1;
    let r2 = &mut s1;

    println!("{r1} {r2}");
}

错误如下

error[E0499]: cannot borrow `s1` as mutable more than once at a time
  --> src\main.rs:63:14
   |
62 |     let r1 = &mut s1;
   |              ------- first mutable borrow occurs here
63 |     let r2 = &mut s1;
   |              ^^^^^^^ second mutable borrow occurs here
64 |
65 |     println!("{r1} {r2}");
   |               ---- first borrow later used here

第一个可变的借入在 r1 中，并且必须持续到在 println！ 中使用它，但是在那个可变引用的创建和它的使用之间，我们又尝试在 r2 中创建另一个可变引用，该引用借用与 r1 相同的数据。主要是为了限制在同一时间对统一数据存在多个可变引用，避免了数据竞争。Rust 避免了这种情况的发生，因为它甚至不会编译存在数据竞争的代码！
数据竞争由三个行为造成：
• 两个或更多指针同时访问同一数据。
• 至少有一个指针被用来写入数据。
• 没有同步数据访问的机制。
修改一下使用之后再进行赋值可变引用：

    let mut s1 = String::from("hello");
    let r1 = &mut s1;
    println!("{r1}");
    let r2 = &mut s1;
    println!("{r2}");

它们的作用域没有重叠，所以代码是可以编译的。编译器可以在作用域结束之前判断不再使用的引用。

悬垂引用

在具有指针的语言中，很容易通过释放内存时保留指向它的指针而错误地生成一个 悬垂指针（dangling pointer），所谓悬垂指针是其指向的内存可能已经被分配给其它持有者。相比之下，在 Rust 中编译器确保引用永远也不会变成悬垂状态：当你拥有一些数据的引用，编译器确保数据不会在其引用之前离开作用域。

fn main() {
 let reference_to_nothing = dangle();
}
fn dangle() -> &String {  // dangle 返回一个字符串的引用
 let s = String::from("hello"); // s 是一个新字符串
 &s // 返回字符串 s 的引用
}  // 这里 s 离开作用域并被丢弃。其内存被释放。

因为 s 是在 dangle 函数内创建的，当 dangle 的代码执行完毕后，s 将被释放。不过我们尝试返回它的引用。这意味着这个引用会指向一个无效的 String ，Rust 不会允许我们这么做。

引用的规则

概括一下之前对引用的讨论：
• 在任意给定时间，要么 只能有一个可变引用，要么 只能有多个不可变引用。
• 引用必须总是有效的。

slice

slice 允许你引用集合中一段连续的元素序列，而不用引用整个集合。slice 是一类引用，所以它没有所有权。类似于切片

fn main() {
 	let s = String::from("hello world");
 	let hello = &s[0..5];
 	let world = &s[6..11];
 }

在这里插入图片描述

字符串slice

知道了slice之后可以理解字符串了，这里 s 的类型是 &str ：它是一个指向二进制程序特定位置的 slice。这也就是为什么字符串
字面值是不可变的；&str 是一个不可变引用。

let s = "Hello, world!";

其它类型slice

就跟我们想要获取字符串的一部分那样，我们也会想要引用数组的一部分。我们可以这样做：

let a = [1, 2, 3, 4, 5];
let slice = &a[1..3];
assert_eq!(slice, &[2, 3]);

这个 slice 的类型是 &[i32] 。它跟字符串 slice 的工作方式一样，通过存储第一个集合元素的引用和一个集合总长度。你可以对其他所有集合使用这类 slice。

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