Rust 基础入门 —— 2.3.所有权和借用

Rust 的最主要光芒： 内存安全 。

实现方式： 所有权系统。

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写在前面的序言

因为我们这里实际讲述的内容是关于 内存安全的，所以我们最好先复习一下内存的知识。

然后我们，需要理解的就只有所有权概念，以及为了开发便利，进一步引出的引用借用概念。

永远的基础，内存管理

内存作为存储程序运行时数据的地方，是任何地方都避不开的。除非发展到量子计算，脱离了传统的二进制计算架构。

在这里先说明一下内存讨论的主体颗粒度。我们将着眼于 栈（stack） 和 堆 （heap）。重点明晰的是保存的位置是这两者中的哪一种。

栈

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。

性能区别

写入方面：入栈比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备。

读取方面：得益于 CPU 高速缓存，使得处理器可以减少对内存的访问，高速缓存和内存的访问速度差异在 10 倍以上！栈数据往往可以直接存储在 CPU 高速缓存中，而堆数据只能存储在内存中。访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须先访问栈再通过栈上的指针来访问内存。

因此，处理器处理分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。

所有权和堆栈

所谓的所有权，他存在的意义就是通过某种逻辑实现对堆上数据的管理。

接下来，让我们详细的介绍所有权对内存管理的具体逻辑。

所有权原则

让我们首先明确规则，再去详细了解内涵

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)

那么什么是 变量的作用域呢？

变量的作用域

同 c++ 类似，作用域是变量合法有效的范围，
从变量的创建开始有效，止于它离开作用域为止。代码说明如下：

{                   // s 在这里无效，它尚未声明let s = "zry";  // s 在这里无效，它尚未声明// code ....
}                   // s 在这里无效，它尚未声明

堆上数据和 栈上数据

在这里我们会通过 代码来介绍在 rust 中 什么数据会在堆上，什么数据会在栈上。

我们使用 String类型进行介绍。

先继续使用上面的代码 let s = "zry" 这里的s 是被编译器 硬编码进程序里的字符串值，类型是 &str。但是它有一些缺陷。如下：
- 字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中。
- 并非所有字符串的值都能在编写代码时得知。
- 例如：获取用户输入的数据时，编译器肯定是不能在编译时预先知道这部分内容应当怎么写的。
所以，Rust 提供了 动态字符串类型：String。这个类型被分配到堆上，当出现需要再扩充空间或者缩小时，都可以很方便实现。

具体的创建方式如下：

let s = String::from("zry");
// `::` 是一种调用操作符，这里表示调用 `String` 中的 `from` 方法，因为 `String` 存储在堆上是动态的，你可以这样修改它：s.push_str("say hello, world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值 println!("{}", s); // 将打印 `zry say hello, world!`

到此，我们知道怎样在堆上创建数据（String）和栈上创建数据 （&str）

接下来，我们将根据这两点 展开讲述 所有权的交互。

所有权的交互

所有权的交互分为三种：

• 转移所有权，A的给了B，B能用，A不能用
• 克隆所有权（深拷贝）：B抄了A的，多了一份数据，A和B各自使用各自的。
• 拷贝所有权（浅拷贝）：B知道A有，共用一份数据，A和B使用同一份内容。

所有权是对堆上数据的管理权限。先看栈上数据的代码：

let x = 5;
let y = x;

代码背后的逻辑很简单, 将 5 绑定到变量 x；接着拷贝 x 的值赋给 y，最终 x 和 y 都等于 5，因为整数是 Rust 基本数据类型，是固定大小的简单值，因此这两个值都是通过自动拷贝的方式来赋值的，都被存在栈中，完全无需在堆上分配内存

我们在前面就讨论过，拷贝是一个应当重视的行为，那么：这里使用拷贝有什么问题吗？

实际上，我们重视拷贝的原因是因为拷贝需要增加空间，保护数据，消耗时间。在规模变得足够大的时候，就会造成性能浪费。

而这种栈上操作的数据足够的简单，拷贝这个行为也只是需要复制一个整数大小（i32，4个字节）的内存即可，因此在这种情况下，拷贝的速度远快于堆上创建内存，而内容也足够小，不会造成性能浪费。

实际上 Rust 的基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的

接下来详细介绍：

转移所有权

从基础类型赋值之后，我们使用String类型完成这一节的演示。
首先代码如下：

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

这里 String并不是基础类型，rust只对基础类型进行自动拷贝

String类型数据是存放在堆上的，它本身是一个复合类型，你可以把它简单抽象是一个结构体来方便理解。它提供了三部分：存储在栈中的堆指针、字符串长度、字符串容量共同组成，其中的堆指针是根本，字符串长度、字符串容量是为了性能考量的辅助优化。

• 堆指针指向了真实存储字符串内容的堆内存，
• 字符串容量是堆内存分配空间的大小
• 字符串长度是目前已经使用的大小。

回到代码中来，继续讨论 let s2 = s1;的这一步：
分成两种情况讨论：

1. 拷贝 String 和存储在堆上的字节数组 如果该语句是拷贝所有数据(深拷贝)，那么无论是 String 本身还是底层的堆上数据，都会被全部拷贝，这对于性能而言会造成非常大的影响

2. 只拷贝 String 本身 这样的拷贝非常快，因为在 64 位机器上就拷贝了 8字节的指针、8字节的长度、8字节的容量，总计 24 字节，但是带来了新的问题，还记得我们之前提到的所有权规则吧？其中有一条就是：一个值只允许有一个所有者，而现在这个值（堆上的真实字符串数据）有了两个所有者：s1 和 s2。

好吧，就假定一个值可以拥有两个所有者，会发生什么呢？

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 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。

再来看看，在所有权转移后再来使用旧的所有者，会发生什么：

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

由于 Rust 禁止你使用无效的引用，你会看到以下的错误：

error[E0382]: use of moved value: `s1`--> src/main.rs:5:28|
3 |     let s2 = s1;|         -- value moved here
4 |
5 |     println!("{}, world!", s1);|                            ^^ value used here after move|= note: move occurs because `s1` has type `std::string::String`, which doesnot implement the `Copy` trait

现在再回头看看之前的规则，相信大家已经有了更深刻的理解：

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)

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听起来就像浅拷贝，但是又因为 Rust 同时使第一个变量 s1 无效了，因此这个操作被称为 移动(move)，而不是浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被移动到了 s2 中。那么具体发生了什么，用一张图简单说明：
![[Pasted image 20230815214121.png]]

这样就解决了我们之前的问题，s1 不再指向任何数据，只有 s2 是有效的，当 s2 离开作用域，它就会释放内存。 到此为止，我们也清楚了为什么 Rust 称呼 let a = b 为变量绑定。
绑定的是变量中记录的指针和数据实际地址这两者。

扩展：引用的所有权

再来看一段代码:

fn main() {let x: &str = "hello, world";let y = x;println!("{},{}",x,y);
}

这段代码，大家觉得会否报错？如果参考之前的 String 所有权转移的例子，那这段代码也应该报错才是，但是实际上呢？

这段代码和之前的 String 有一个本质上的区别：在 String 的例子中 s1 持有了通过String::from("hello") 创建的值的所有权，而这个例子中，x 只是引用了存储在二进制中的字符串 "hello, world"，并没有持有所有权。

因此 let y = x 中，仅仅是对该引用进行了拷贝，此时 y 和 x 都引用了同一个字符串。如果还不理解也没关系，当学习了下一章节 “引用与借用” 后，大家自然而言就会理解。

克隆所有权

Rust 中是支持深拷贝的，被称之为 克隆所有权。

• 但是要注意：Rust 永远不会自动创建数据的深拷贝。
• 所以，如果你发现rust 在进行自动的复制，那么其是浅拷贝（栈上数据的赋值 let x =1; let i=x;），或者是转移所有权（let s::String = “String”; let y = s;）。

克隆所有权的具体方式是使用 clone()这个关键字。示例如下：

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

当让，我们可以丰富扩展一下，rust 有一个叫做 Ok ERR 的东西，可以这样方便测试：

// 定义一个函数 test_string，返回一个 Result 类型，
// 其中 Ok 部分包含一个字符串，Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> { let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 slet y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!("{} > {}", s,y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn main() { //主函数println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"match test_string() { //使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok，则将字符串 z 打印出来Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err，则将错误信息 e 打印出来}
}

执行结果：

PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21> cargo run Compiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.60sRunning `target\debug\file23_08_21.exe`
Hello, world!
hello world > hello world
hello world

• 注意事项：深拷贝性能消耗是要大于其他方式的。因此，对于热点路径（执行比较频繁的代码），使用 clone会极大的降低程序性能。

拷贝所有权

在上面我们说到了拷贝所有权，这里详细介绍。

• 拷贝所有权，是指浅拷贝。
• 浅拷贝只发生在栈上。因此性能很高

通过代码介绍：

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

上面的代码中，我们并没有进行 clone，如果按照之前的说法：所有权改变了以后，原有变量不再使用，这里x，应当不能使用了，但是实际运行之后，依旧打印出了x的内容。
这里引出 rust 中的 一个特征：Copy

整型这样的基本类型是在编译时已知大小的，会被存储在栈上。Rust 通过copy这样的特征来保证拥有这样特征的类型，可以实现：一个旧的变量在被赋值给其他变量后任然可以使用。

哪些类型可 Copy？

• 任何基本类型的组合都可以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 扩展：引用的所有权 中的例子，但是注意: 可变引用 &mut T 是不可以 Copy的

函数传值与返回

既然我们前面说到了：赋值是会改变所有权的。那么自然会聊到一个点：函数传值。

在将值传递给函数时，一样会发生 移动 或者 复制 ，就像赋值一样。具体可以看下面的代码：

// 定义一个函数 test_string，返回一个 Result 类型，
// 其中 Ok 部分包含一个字符串，Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> {let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 slet y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!("{} > {}", s, y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn test_string_2() {let x = 5;let y = x;println!("x = {} ,y = {}", x, y);
}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fn main() {//主函数println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"match test_string() {//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok，则将字符串 z 打印出来Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err，则将错误信息 e 打印出来}test_string_2();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

运行后如下结果：

PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21> cargo runCompiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.41sRunning `target\debug\file23_08_21.exe`
Hello, world!
hello world > hello world
hello world
x = 5 ,y = 5
hello
5

同样的，函数返回值也有所有权，例如:

// 定义一个函数 test_string，返回一个 Result 类型，
// 其中 Ok 部分包含一个字符串，Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> {let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 slet y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!("{} > {}", s, y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn test_string_2() {let x = 5;let y = x;println!("x = {} ,y = {}", x, y);
}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fn main() {//主函数println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"match test_string() {//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok，则将字符串 z 打印出来Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err，则将错误信息 e 打印出来}test_string_2();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println!("S == {}",s);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 xlet s1 = gives_ownership_2(); // gives_ownership_2 将返回值// 移给 s1let s2 = String::from("hello"); // s2 进入作用域let s3 = takes_and_gives_back_2(s2); // s2 被移动到// takes_and_gives_back_2 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 移出作用域并被丢弃fn gives_ownership_2() -> String {// gives_ownership_2 将返回值移动给// 调用它的函数let some_string = String::from("hello"); // 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_2 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back_2(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
}

其中如果在变量传入函数后，再次使用变量，就会报错如下：

error[E0382]: borrow of moved value: `s`--> src\main.rs:51:24|
46 |     let s = String::from("hello"); // s 进入作用域|         - move occurs because `s` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
...
49 |     takes_ownership(s); // s 的值移动到函数里 ...|                     - value moved here
50 |                         // ... 所以到这里不再有效
51 |     println!("S == {}",s);|                        ^ value borrowed here after move|

很明显，这样的方式不利于我们开发时使用。
因此 ，我们继续介绍 引用和借用。 所有权很强大，避免了内存的不安全性，但是也带来了一个新麻烦： 总是把一个值传来传去来使用它。 传入一个函数，很可能还要从该函数传出去，结果就是语言表达变得非常啰嗦，幸运的是，Rust 提供了新功能解决这个问题。