生信小白学Rust-03

语句和表达式

举个栗子🌰

fn add_with_extra(x: i32, y: i32) -> i32 {let x = x + 1; // 语句let y = y + 5; // 语句x + y // 表达式
}
// 语句执行操作
// 表达式会返回一个值

怎么区分呢，目前我的理解是只要返回了值，那它就是表达式

fn main() {let y = {let x = 3;x + 1};println!("The value of y is: {}", y);
}

其中，这部分内容也是表达式：

{let x=3;x+1
}

最后一行返回了x+1的值，需要注意的是x+1不能以分号结尾，否则会从表达式变成语句，表达式不能包含分号。

let a = 8;
let b: Vec<f64> = Vec::new();
let (a, c) = ("hi", false);// let b = (let a = 8);
// 这种是错的，let是语句，不能将语句赋值给其他值

函数

Rust函数跟其他语言几乎没什么区别，相对轻松，下面先请出重量级函数：

所有权

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。在计算机语言不断演变过程中，出现了三种流派：

1. 垃圾回收机制(GC)，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：Java、Go
2. 手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++
3. 通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查

其中 Rust 选择了第三种，最妙的是，这种检查只发生在编译期，因此对于程序运行期，不会有任何性能上的损失。

栈 （后进先出）

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。

处理器在栈上分配数据会比堆更加高效

所有权原则

1. Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者
2. 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者
3. 当所有者（变量）离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)

变量作用域

作用域是一个变量在程序中有效的范围，假如有这样一个变量：

let s = "hello";

变量 s 绑定到了一个字符串字面值，该字符串字面值是硬编码到程序代码中的。s 变量从声明的点开始直到当前作用域的结束都是有效的：

#![allow(unused)]
fn main() {
{                      // s 在这里无效，它尚未声明let s = "hello";   // 从此处起，s 是有效的// 使用 s
}                      // 此作用域已结束，s不再有效
}

简而言之，s 从创建开始就有效，然后有效期持续到它离开作用域为止，可以看出，就作用域来说，Rust 语言跟其他编程语言没有区别。

变量绑定背后的数据交互

好复杂😵😵😵，晕晕乎乎的

转移所有权

Rust基本类型都是通过自动拷贝方式进行赋值，不涉及所有权的转换。

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。

克隆（深拷贝）

拙见：用clone方法，将一个变量s1的堆、栈数据全部拷贝给s2，会影响性能。但是对于执行较为频繁的代码（热点路径），使用 clone 会极大的降低程序性能，需要小心使用！

拷贝（浅拷贝）

浅拷贝只发生在栈上，因此性能很高，在日常编程中，浅拷贝无处不在。

拙见：整型之类的基本类型在编译时大小已知，会被存储在栈上。可以理解为在栈上做了深拷贝。

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Rust 有一个叫做 Copy 的特征，可以用在类似整型这样在栈中存储的类型。如果一个类型拥有 Copy 特征，一个旧的变量在被赋值给其他变量后仍然可用，也就是赋值的过程即是拷贝的过程。

那么什么类型是可 Copy 的呢？可以查看给定类型的文档来确认，这里可以给出一个通用的规则： 任何基本类型的组合可以 Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以 Copy 的。如下是一些 Copy 的类型：

• 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是 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 是 Copy 的，但 (i32, String) 就不是
• 不可变引用 &T ，例如转移所有权中的最后一个例子，但是注意：可变引用 &mut T 是不可以 Copy的

函数传值与返回

将值传递给函数，一样会发生 移动 或者 复制，就跟 let 语句一样，下面的代码展示了所有权、作用域的规则：

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，
// 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

引用与借用

引用与解引用

常规引用是一个指针类型，指向了对象存储的内存地址。在下面代码中，我们创建一个 i32 值的引用 y，然后使用解引用运算符来解出 y 所使用的值:

fn main() {let x = 5;let y = &x;assert_eq!(5, x);assert_eq!(5, *y);
}

变量 x 存放了一个 i32 值 5。y 是 x 的一个引用。可以断言 x 等于 5。然而，如果希望对 y 的值做出断言，必须使用 *y 来解出引用所指向的值（也就是解引用）。一旦解引用了 y，就可以访问 y 所指向的整型值并可以与 5 做比较。

不可变引用

下面的代码，我们用 s1 的引用作为参数传递给 calculate_length 函数，而不是把 s1 的所有权转移给该函数：

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

能注意到两点：

1. 无需像上章一样：先通过函数参数传入所有权，然后再通过函数返回来传出所有权，代码更加简洁
2. calculate_length 的参数 s 类型从 String 变为 &String

这里，& 符号即是引用，它们允许你使用值，但是不获取所有权，如图所示：

通过 &s1 语法，我们创建了一个指向 s1 的引用，但是并不拥有它。因为并不拥有这个值，当引用离开作用域后，其指向的值也不会被丢弃。

同理，函数 calculate_length 使用 & 来表明参数 s 的类型是一个引用：

fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s 是对 String 的引用s.len()
} // 这里，s 离开了作用域。但因为它并不拥有引用值的所有权，// 所以什么也不会发生

如果尝试修改借用的变量呢？

fn main() {let s = String::from("hello");change(&s);
}fn change(some_string: &String) {some_string.push_str(", world");
}// 报错：
// error[E0596]: cannot borrow `*some_string` as mutable, as it is behind a `&` reference
//  --> /home/cloudlab/main.rs:8:5
//   |
// 8 |     some_string.push_str(", world");
//   |     ^^^^^^^^^^^ `some_string` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
//   |
// help: consider changing this to be a mutable reference
//   |
// 7 | fn change(some_string: &mut String) {
//   |                         +++// error: aborting due to 1 previous error// For more information about this error, try `rustc --explain E0596`.
// -bash: line 1: /home/cloudlab/main: No such file or directory// === 代码执行出错 ===

正如变量默认不可变一样，引用指向的值默认也是不可变的，没事，来一起看看如何解决这个问题。

可变引用

根据给出的报错信息进行小小的修改：

fn main() {let mut s = String::from("hello");change(&mut s);
}fn change(some_string: &mut String) {some_string.push_str(", world");
}

首先，声明 s 是可变类型，其次创建一个可变的引用 &mut s 和接受可变引用参数 some_string: &mut String 的函数。

可变引用同时只能存在一个

不过可变引用并不是随心所欲、想用就用的，它有一个很大的限制： 同一作用域，特定数据只能有一个可变引用：

let mut s = String::from("hello");let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;println!("{}, {}", r1, r2);// 报错：
// error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time 同一时间无法对 `s` 进行两次可变借用
//  --> src/main.rs:5:14
//   |
// 4 |     let r1 = &mut s;
//   |              ------ first mutable borrow occurs here 首个可变引用在这里借用
// 5 |     let r2 = &mut s;
//   |              ^^^^^^ second mutable borrow occurs here 第二个可变引用在这里借用
// 6 |
// 7 |     println!("{}, {}", r1, r2);
//   |                        -- first borrow later used here 第一个借用在这里使用

这段代码出错的原因在于，第一个可变借用 r1 必须要持续到最后一次使用的位置 println!，在 r1 创建和最后一次使用之间，我们又尝试创建第二个可变借用 r2。

对于新手来说，这个特性绝对是一大拦路虎，也是新人们谈之色变的编译器 borrow checker 特性之一，不过各行各业都一样，限制往往是出于安全的考虑，Rust 也一样。

这种限制的好处就是使 Rust 在编译期就避免数据竞争，数据竞争可由以下行为造成：

• 两个或更多的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

数据竞争会导致未定义行为，这种行为很可能超出我们的预期，难以在运行时追踪，并且难以诊断和修复。而 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！

很多时候，大括号可以帮我们解决一些编译不通过的问题，通过手动限制变量的作用域：

let mut s = String::from("hello");{let r1 = &mut s;} // r1 在这里离开了作用域，所以我们完全可以创建一个新的引用let r2 = &mut s;

可变引用与不可变引用不能同时存在

let mut s = String::from("hello");let r1 = &s; // 没问题
let r2 = &s; // 没问题
let r3 = &mut s; // 大问题println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

其实这个也很好理解，正在借用不可变引用的用户，肯定不希望他借用的东西，被另外一个人莫名其妙改变了。多个不可变借用被允许是因为没有人会去试图修改数据，每个人都只读这一份数据而不做修改，因此不用担心数据被污染。

悬垂引用

借用规则总结

总的来说，借用规则如下：

• 同一时刻，你只能拥有要么一个可变引用，要么任意多个不可变引用
• 引用必须总是有效的