07_rust的所有权

所有权

所有权是rust最独特、核心的特性，使得rust无GC也可保证内存安全。
其他语言都有在运行时管理自身内存的机制，比如GC，或者程序员手动申请和释放。
rust则采用了第三种方式：所有权

• 内存通过一所有权系统来管理，含一组编译时用于检测的规则。
• 当程序运行时，所有权不会影响程序速度。

stack（栈）和heap（堆）内存

stack按值的接收顺序来存储，按相反的顺序移除（先进先出，LIFO），分别是压栈和弹栈。所有存入stack的数据必须已知固定大小。
heap用于存储编译时大小未知运行时才确定大小、及可能发生变化的数据，需代码中手动申请，然后系统找到一块适合大小的空间并返回指针（这个过程叫分配内存），然后存入数据。
所有权解决的问题：

• 跟踪代码哪些地方在使用heap的哪些数据
• 清理heap上未使用的数据，避免空间不足
• 最小化heap上的重复数据

所有权规则

• 每个值都有一个变量，每个变量是该值的所有者
• 每个值同时只能有一个所有者
• 当所有者超出作用域（scope）时，该值将被删除

以string类型为例了解所有权

String类型定义和试用

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello"); // 在运行时申请分配相应大小的内存
    s.push_str(" world");
    println("{}", s);
}

rust采用的回收方式：对于某个值，当拥有它的变量离开作用范围是，内存会立即自动交还给操作系统。会自动调用drop函数。

变量和数据的交互方式：移动（Move）

多个变量可与同一个数据使用move方式来交互，如

fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
    let s2 = s1;
}

一个String由3部分组成：一个指向存放字符串内容的内存指针，一个长度，一个容量。
比如s1

string s1: # 以下三个字段构成一个String对象，存放在stack上
  ptr: 0x1234 # 内存首地址
  len: 5 # 存放字符串内容所需的字节数
  capacity: 5 # 存放string从操作系统里获得的总字节数
# 以下是heap上开辟的内存
0x1234:
hello

而执行let s2 = s1时，只会复制一份stack的数据，ptr的值不变，指向heap里的同一个地址。

s1 ==> s2
string s2:
  ptr: 0x1234 # 也指向heap上的hello
  len: 5
  capacity: 5

当离开作用域时，rust会自动调用drop函数，并将变量使用的heap内存释放，当s1、s2离开作用域时，都会尝试释放相同的内存。
在c中，这种现象称之为二次释放（double free）错误。
在rust中为了保证内存安全，执行let s2 = s1后，rust会让s1失效，这样在离开s1作用域时不需再释放ptr指向的内存。
如果还继续使用s1则会编译报错：

fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
    let s2 = s1;
    println!("test {}", s1);
}
/*
编译报错
25 |     let s1 = String::from("Hello");
   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
26 |     let s2 = s1;
   |              -- value moved here
27 |     println!("test {}", s1);
   |                         ^^ value borrowed here after move
 
*/

之前有浅拷贝（shallow copy）和深拷贝（deep copy）的概念，
而rust做的一种移动操作，相当于让s2替代了s1，s1失效。

隐含的一个设计原则：rust不会自动创建数据的深拷贝。
如果想深拷贝，实现heap数据拷贝，则使用克隆（Clone）方法。

fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
    let s2 = s1.clone();
    println!("test {}", s1);
}

Copy trait

stack上的数据：复制，无需考虑深拷贝、浅拷贝的问题，也就没有移动失效的问题。

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

Copy trait：trait可简单理解为接口，可用于像整数这些完全存放在stack上的数据类型，如果一个数据类型实现了Copy trait，则旧的变量在赋值后仍然可用。
如果一个类型或者该类型的一部分实现了Drop trait，则Rust不允许它再实现Copy trait。

一些拥有Copy trait的类型

• 任何简单标量的组合类型都可Copy
• 任何需要分配内存或某种资源的都不可Copy

一些拥有Copy trait的类型：

• 所有的整数类型，如u32
• bool
• char
• 所有浮点类型，如f64
• Tuple（元组，如果其所有字段都是Copy的），如(i32, i32)是，(i32, String)则不是

所有权和函数

• 参数
  在语义上，将值传递给函数和把值赋给变量是类似的，将值传递给函数将发生移动或复制。
  如果参数类型是String等类型，则Move操作，如果是i32类型，则Copy操作。

• 返回值
  在返回值的过程中也同样会发生所有权的转移。

一个变量的所有权总是遵循同样的模式：

• 赋值过程发生Move/Copy。
• 当包含heap数据的变量离开作用域时，值会被drop函数清理，除非数据的所有权移动到了另一个变量上。
  如果想保留所有权，则可使用引用的方式。