【Rust】004-Rust 所有权

【Rust】004-Rust 所有权

rust 语言很严谨！符合我严谨认真的性格！

一、预备知识

1、堆和栈

堆和栈都可以在程序运行时给程序提供内存空间，但是他们是有区别的。

想象一下，栈就像一叠盘子。先来的盘子在底部，新盘子则放在顶部。取用时，总是先取最上面的盘子，就像在餐馆里洗完的盘子先用先拿。这就是先进后出的原则。但是，盘子的大小必须是确定的，否则无法存放在这个“栈”里。

而堆则像一个大杂货仓库。你可以随时放入各种大小和形状的物品。为了方便找到它们，你需要贴上标签，这些标签就像指针，告诉你物品的位置。虽然这样存放物品灵活多变，但要找到合适的空间并读取它们就不如“栈”中的盘子方便了。

在性能的赛跑中，栈就像速度迅猛的跑车，堆则更像一辆载重卡车。栈的读写速度快，因为一切都井井有条，就像把盘子放在最上面那样简单。而堆要先找到合适的存放空间，读取时还要通过标签（指针）找到物品，就像在杂货仓库里寻找一个小小的零件一样，可能需要多花点时间。

2、String 类型

在 Rust 编程的世界中，字符串有点像我们现实生活中的名片（印好之后，不再改变）和便签（可以继续往上面写东西）。有两种类型让我们来认识它们：String和&str。

&str

存储逻辑

在 Rust 中，字符串字面量（如 "hello"）的实际值通常存储在程序的只读数据段中。这个数据段是编译时确定的，并且在程序运行时是不可变的。这意味着字符串字面量在程序的生命周期内是常驻内存的，不会被修改或释放。

当你在代码中使用字符串字面量时，例如：

let s: &str = "hello";

这个 &str 类型的变量 s 是一个胖指针，包含了指向 "hello" 的内存地址和字符串的长度。这些信息本身存储在栈上，而 "hello" 的实际字符串数据则在程序的只读数据段中。

想象&str是一种名片，它被称为字符串字面值，就像是工厂里生产出来的名片，印好了，就再也不能改了。你可以这样给自己制造一张名片：

fn main() {// 使用字符串字面量创建静态字符串let hello = "hello world";}

这张名片是固定的，不可变的，因为它是硬编码到程序中的，就像是直接印在墙上的字。

String

存储逻辑

1. 堆上存储数据
   • String 的实际字符串数据存储在堆上。这意味着 String 可以在程序运行时动态调整其大小，而不受栈大小的限制。
2. 栈上存储元数据：
   • String 类型在栈上存储了一些元数据，包括一个指向堆上数据的指针、字符串的长度以及当前的容量（即分配的堆内存大小）。这些元数据使得 String 可以管理堆上的内存。
3. 容量与长度：
   • 长度：表示当前存储在 String 中的字符数。
   • 容量：表示已经分配的内存空间，允许在不重新分配的情况下扩展字符串。String 可能会预先分配比实际需要更多的内存，以优化性能，减少频繁的内存分配和复制操作。
4. 增长策略：
   • 当 String 的内容增加到超出其当前容量时，String 会自动分配更大的内存块，并将现有数据复制到新分配的内存中。这通常是通过倍增策略来实现的，以平衡内存使用和性能。
5. 所有权与内存管理：
   • String 拥有其堆上数据的所有权，这意味着当 String 被丢弃时，它会自动释放其占用的堆内存。这是 Rust 所有权模型和借用检查器的一个重要特性，确保了内存的安全管理。
6. 可变性：
   • String 是可变的，可以通过方法如 push 或 push_str 来追加数据，或者通过 truncate 来减少长度。

但生活中不是所有的信息都是确定的，有时候我们需要一些便签。这就是String的角色了，比如你想要记录下用户的一些临时想法或命令。String的数据存储在堆上，就像前面提到的杂货仓库，可以随时变动。你还记得堆和栈的故事吗？

创建一个String就像是抓一张空白的便签纸，你可以从字符串字面值开始书写：

fn main() {// 创建一个可变字符串let mut hi = String::new();// 写入文字hi.push_str("hello");hi.push_str(" world");}

二、所有权规则

1、所有权系统的三条规则

1. Rust 中每个值都有一个所有者；
2. 一个值同时只能有一个所有者；
3. 当所有者离开作用域范围，这个值将被丢弃。

2、代码示例

fn main() {// 规则 1：Rust中每个值都有一个所有者let s1 = String::from("hello"); // s1 是值 "hello" 的所有者{// 规则 2：一个值同时只能有一个所有者let s2 = s1; // 所有权从 s1 转移到 s2（s1 不再有效）// println!("{}", s1); // 这会导致编译时错误，因为 s1 不再有效println!("{}", s2); // 这是允许的，因为 s2 现在拥有该值} // s2在此处超出范围// 规则 3：当所有者离开作用域范围，这个值将被丢弃// 由于 s2 超出范围，因此为值 "hello" 分配的内存在此处自动释放。
}`  

3、所有权转移

简单示例

i32这样的简单类型，赋值的时候 Rust 会自动进行拷贝（Copy）。

let x = 5;
let y = x;

这段代码中，首先将 5 绑定到 x，接着再将 x 的值拷贝给 y。这两行执行完， x 和 y 都是 5，且都可以正常使用。稍稍改变一下这个例子。

而对于 String 这样的分配到堆上的复杂类型，发生的却是所有权的转移，而不是拷贝。

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;

简单类型：自动拷贝（简单类型的实际数据内容存储在栈上的）；

复杂类型：所有权转移（拷贝的是内存地址，实际数据内容在堆上，但会导致一个数据被两个变量同时拥有，离开作用域会出现双重释放的情况，进而导致安全问题，因此Rust设计了所欲全转移机制！）。

复杂类型的拷贝

这种拷贝不存在所有权的转移，他们是相互独立的！

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

4、函数的传值与返回

将值传给函数跟上面讲的赋值类似，都会进行转移或者拷贝的过程。**函数返回一个值的时候，也会经历所有权转移的过程。**我们用下面的例子来说明：

fn takes_ownership(s: String) {println!("Received string: {}", s);
} // s 离开作用域，被丢弃fn gives_ownership() -> String {String::from("hello")
} // 返回了String的所有权fn main() {// s 拿到了"hello"的所有权let s = String::from("hello");// 所有权转移给了 takes_ownership 函数的参数：stakes_ownership(s); // s转移到了函数内，不再可用// s 不再可用// 此处还可以声明一个 s ，是因为上面的 s 已经被回收了！let s = gives_ownership(); // s 获得了返回值的所有权
}

三、引用与借用

1、借用

只使用变量，而不拿走所有权，叫“借用”！

2、不可变引用（只读）

fn main() {// s1 拿到"hello"的所有权let s1 = String::from("hello");// 使用 &s1 而不是 s1，借出去，只是借出去，并不允许值被改变// 使用 len 接收返回值let len = calculate_length(&s1);// s1 仍然具有"hello"的所有权// len 是借用出去后所得到 len() 的返回值println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}// 使用 &String 表示借用，是 String 类型的引用
fn calculate_length(s: &String) -> usize {// 从借来的 s 取得 len() 的值，并返回s.len()
}

3、可变引用（可读可写）

fn main() {// s 拿到 "hello" 的所有权，s 本身是可修改的let mut s = String::from("hello");// 将 s 借出去，并允许被修改change(&mut s);// s 的值被修改了println!("The updated string is: {}", s);
}// 这里使用 &mut String 来接收，表示要求可被修改
fn change(s: &mut String) {// 修改借来的数据s.push_str(", world!");
}

4、重要规则

对于一个变量，同时只能存在一个可变引用或者多个不可变引用。

fn main() {let mut s = String::from("hello");// 多个不可变引用是允许的let r1 = &s;let r2 = &s;println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);// 在这里，多个不可变引用是允许的，因此打印不会引发错误。// 一个可变引用let r3 = &mut s;println!("r3: {}", r3);// 在这里，只有一个可变引用，因此打印不会引发错误。// 不允许同时存在可变引用和不可变引用// let r4 = &s; // 这会导致编译时错误// 如果这里只打印 r4 是不会报错的，因为 r3 在上面已经释放，但此处打印了 r3 ，r3 就不会在此前被释放了！// println!("r3: {}, r4: {}", r3, r4);// 如果取消注释上面两行，同时存在可变引用和不可变引用将导致编译时错误。
}

5、NLL

在老版本的 Rust 编译器中（1.31之前），确实上述的r1,r2和r3是会报错的。但是这样其实会带来很多麻烦，导致代码很难写。于是 Rust 编译器做了一项优化：引用的作用域结束的位置不再是花括号的位置，而是最后一次使用的位置。因此，在现在 Rust 的版本中，上面的例子并不会报错。

6、悬垂引用

悬垂引用指的是指针指向的是内存中一个已经被释放的地址**，这在其他的一些有指针的语言中是很常见的错误。而 Rust 则可以在编译阶段就保证不会产生悬垂引用。也就是说，如果有一个引用指向某个数据，编译器能保证在引用离开作用域之前，被指向的数据不会被释放。

错误代码

fn main() {let reference_to_nothing = dangle();
}
fn dangle() -> &String {let s = String::from("hello");// 这里会报错，因为 s 已经被释放了！返回的地址是一个无效的地址！// this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from// 该函数返回了一个借用的值，但是没有可以借用的来源// 引用必须是有效的&s
}

四、切片

1、概念

切片可以让我们引用集合中的一段连续空间。切片也是一种引用，因此没有所有权。

2、字符串切片

基本写法

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

简化写法

let s = String::from("hello");
let len = s.len();// 以0开始时，0可以省略
let slice = &s[0..2];
let slice = &s[..2];// 以最后一位结束时，len可以省略
let slice = &s[3..len];
let slice = &s[3..];// 同时满足上述两条，那么两头都可以省略
let slice = &s[0..len];
let slice = &s[..];

3、其他切片

String 本身就是数组

#[derive(PartialEq, PartialOrd, Eq, Ord)]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[cfg_attr(not(test), lang = "String")]
pub struct String {vec: Vec<u8>,
}

除了 String，数组类型也有切片。例如：

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

五、总结

本节内容较多，主要包含了三部分的知识：所有权，借用和切片。所有权这套系统是 Rust 内存安全的重要保障。有了这套系统，我们既可以享受不需要手动释放内存的便利，又可以对内存使用有足够的控制，保证内存安全。