rust学习五、认识所有权

在<<The rust programming language>>的中译版<<rust权威指南>>中，作者用了30页的篇幅来阐述这个问题。

如作者所言，所有权是学习rust语言的基础，不掌握这个，无需继续往下，所以，这是初学rust就必须会的。

 

正是所有权概念和相关工具的引入，Rust才能够在没有垃圾回收机制的前提下保障内存安全。

一、变量的存储方式和赋值方式

要进入rust所有权范围讨论问题，那么必须先理解RUST的变量的存储方式和赋值方式

rust出于各种目的，规定变量可以存放在栈和堆上：

1. 栈-存放哪些编译时期就知道大小的。通常存储那些简单的数据类型，例如整数、浮点、布尔、字符、成员类型都是整数、浮点、布尔、字符之一的元组
   • 注意这是一个FILO(先进后出，或者是后进先出）类型的，好似堆碟子，反而最上面的最先用。
2. 堆-存放那些编译时期无法知道其大小的。例如String（字符串)

栈变量转赋

对于栈变量而言，把a赋值给b，仅仅是一种在栈中复制数据的过程-快速且成本小。

let a=10;
let b=a;

 上面这个代码中，就是把10复制一份给b。

 

堆变量转赋

但是堆不同，这个就是所有权的问题的来源，见后文。

堆变量和java的类变量是相识的存储方式，都是用一个地址指向实际的存储区域，如下图（来自书本）：

 

所有权问题就是堆变量问题。

二、所有权规则是如何产生的？所有权规则是什么？

2.1、规则怎么来？

要理解所有权，就需要从rust的设计目的谈起，否则难于理解有些概念。

按照rust官方的说法，rust要保证内存安全(一定会释放掉)，同时还需要保证高效（不能用java 那样的gc管理器)，同时还不能太繁琐（像C++那样手动释放）

所以，他们想到了一个主意：一个变量应该用完就自动释放（通常是立刻释放）

通过设这种设定，那么就解决了一些问题：

• 不会内存泄漏
• 不需要借助额外的垃圾收集器，增大了用于系统编程的可行性

但这会引发一个问题，怎么知道需要被移除的变量没人用了？

像java那样使用引用计数器之类的?但是现在不搞那一套，就需要定个规矩：一个变量一定要有所有者；而且任意时刻只能有一个所有者

和前面提到的结合起来，就是rust著名的所有权规则：

1. 一个值（不是变量)一定要有所有者
2. 而且任意时刻,一个值只能有一个所有者
3. 值所有者离开作用域后，持有的值会被立刻释放

因为任意时候一个值只有一个所有者，所以一旦所有者离开返回，就可以简单“高效”地执行释放操作，不用担心还被谁用了。

规则就是为了达到这个目的。

 

这个规则有一个瑕疵：按照rust官方的说法，有个drop程序会立刻做这个事情，那么这某种程度上会降低性能。

但是现代高级语言都没有解决这个问题，哪怕C++之类的，所以这个就不算是一个问题了。大家都装糊涂吧，也许某天cpu和操作系统变化了之后，可以解决这个问题。

所以，这应该是一个当前情况下，权衡后的可接受方案。

 

2.2、规则怎么得到保证？

规则定了，那么如何保证这些规则可以得到遵守？

1.明确作用域的

如果是有明确作用域的，例如{}或者函数，那么很好理解：

fn test(){
  let s:String=String::from("种瓜得豆");
  println!("{}",s);
}

绝大部分语言都是这么规定，所以能够立刻理解！离开函数或者明确的作用域，就应该要释放掉。

 

2.在一个作用域之内

参考书中的经典例子:

let s1=String::from("锦绣中华");
let s2=s1;
println!("{}",s1); 

 通不过编译！

let s1=String::from("锦绣中华");
	   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
	12 |     let s2=s1;
	   |            -- value moved here
	13 |     println!("{}",s1);
	   |                   ^^ value borrowed here after move

第一次接触这个，我有一点震惊，是因为两个没有想到:

1.怎么会不行？

2.编译器就能够解决这个问题，而不是在运行时发生。编译器够厉害的。

 

现在再回过头看下这个编译错误提示，提示大意是这样的：

由于s1是String类型，所以发生的移动情况。String并没有实现Copy trait(类型特性)（意思就是不能通过复制完成值的转赋)

当指定s2=s1的时候，s1的值已经转给了s2(s1已经没有值了）

当再次使用s1的时候，这就是一种典型的错误行为：值被移动后企图借用

 

通过这个提示我们可以看到：在一个作用域之内，如果一个变量转赋给另外一个变量的时候，会发生一件事情：值会从一个变量转到另外一个变量上

为什么要这么做？ 因为只有这样才能保证前面提到的第二个原则：任意时刻只能有一个变量拥有某个值

 

回头再看编译提示，我们还知道一点：类似s1这样的变量只所以会发生这个值转移情况，是因为s1是String，默认没有实现Copy类型特性。

反过来说，如果String实现了Copy类型特性，那么就不会发生这种编译错误。

 

2.3、规则带来的其它问题

虽然三个规则保证了目的，但是会带来不少问题（麻烦），比较典型的问题就是：

一个变量的值被移走后，那么再次使用原来的变量就变得麻烦了。 因为需要再次移动值。如果这样写代码，太冗余啰嗦，谁也受不了!

以下是一个奇怪的例子。

fn main(){
    let mut  address:String=String::from("福建福州");
    println!("{}",address);
    print_str(address);
    //再用address,那么久会报错，如果要不报错，则必须
    //插入诸如 address=xxx之类语句，把值移回来，或者重新赋值
    println!("新地址:{}",address) ;  //报错 
}

fn  print_str(s:String){
    println!("{}",s);
}

 

在上例中，如果为了避免println!("新地址:{}",address)报错，必须需要在这句话之前做一些事情。这样无疑太麻烦了。

如果按照上面这种方法，那么rust就没有存在的意义，因为一门语言不但要考虑性能、安全等，也需要考虑工程效果：不能让工程师烦

为了解决这个问题，rust给出了三个解决方案

1. 不可变引用-通过某种方式标记这是一种借用，值所有权没有转移。借用完成后会自动归还。当前借用不能修改值
2. 可变引用   -通过某种方式标记这是一种借用，值所有权没有转移，借用完成后会自动归还。这个期间，其它变量不能同时用这个值。但是当前借用能修改这个值
3. 切片引用-只借用了部分（也可以是全部），可以细分为不可变切片和可变切片

通过这3个方案，编译器已经帮工程师默默地完成了借用和自动归还的操作，工程师不需要再操心了。

 

借用是如何实现的，借用原书的2幅图

图_引用

图_切片引用

 

原书还列出两个引用原则：

1. 在任何一段给定的时间内，你要么只能拥有一个可变引用，要么只能拥有任意数量的不可变引用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2. 引用总是有效的

 

后文演示这几个例子

2.3.1不可变引用

fn main() {
    let name = String::from("岳飞");
    //引用，被引用多少次都无所谓
    print_me(&name);
    print_me(&name);
    let n1 = &name;
    let n2 = &name;
    println!("n1={},n2={}", n1, n2);
}

 

书写格式： &s

name可以同时被不可变借用多次。

这意味着，并发情况下可以共用一个值。

2.3.2可变引用

书写格式： &mut s

fn mut_borrow() {
    let mut s = String::from("飞翔");
    let s1 = &mut s;
    println!("{}", s1);
    s1.push_str("在太空！");
    println!("{}", s1);
    let s2 = &mut s;
    println!("{}", s2);
    //println!("{}",s1); //在已经借给s2的情况下，再使用s1会报错 -- first borrow later used here
    let s3 = &mut s;
    s3.push_str("星光灿烂");
    println!("{}", s3);

    let s4 = &mut s;
    let s5 = &mut s;
    let s6 = &s;
}

 

由于只能同时有一个可变引用，所以并发是一个问题。

2.3.3切片引用

书写格式：

&s[..]   -- 等同于s

&s[n..m] -- 取从n到m-1的部分，其中n>=0

&s[..n]  -- 取0到n-1的部分

&s[n..]  -- 取从n及其之后的所有

特别地，字符串切片类型写成 &str。

同时定义多个不可变切片，并可同时用

fn show_string_slice(){
    let name=String::from("ABCDEF GHIJKLMN");
    let s1=&name[0..4];
    let s2=&name[5..10];
    println!("s1={},s2={}",s1,s2);
}

 

其它切片演示：

可变的数组切片

fn test_mut_slice(){
    let mut numbers = [1, 2, 3, 4, 5];  
    let slice: &mut [i32] = &mut numbers[0..1]; // 获取整个数组的可变切片  
    slice[0] = 10; // 修改切片中的第一个元素，这也会修改原始数组  
    println!("{:?}", numbers); // 输出: [10, 2, 3, 4, 5]
}

 

三、小节

1. rust的值的所有权规则是一个非常独特的内容，其它语言暂时没有这样的情况
2. rust的所有权有一点难于理解，但务必理解，因为这是继续的基础，此关不通，不要考虑后面的学习内容
3. rust的所有权，可以算是一种相对高效的主动垃圾回收机制，是一种可以接受的妥协
4. rust提供了多种引用方式，使得同时共享一个值变得可能，例如引用，切片引用
5. rust的编译器默默地干了很多的事情
6. 为了让对象和方法更接近一般人的思维方式和编码习惯，rust一定会采取许多措施，这些措施会导致rust的代码进一步复杂：更奇怪的语法、更少见的符号