WHAT - 高性能和内存安全的 Rust（二）

了解 Rust 的所有权（ownership）、借用（borrowing）、可变性（mutability）以及作用域（scope）是掌握 Rust 的关键。

下面通过具体的代码示例来解释这些概念。

1. 所有权（Ownership）

所有权和生命周期是 Rust 最大的特性之一，理解了也就掌握了 80% Rust 的精髓。

• Rust 中的每一个值都有一个所有者，某个特定的变量
• Rust 中任何一个值在任何时刻有且只有一个所有者
• 当所有者离开作用域，值即被丢弃

以下示例展示了基本的所有权规则：

fn main() {let s1 = String::from("hello");let s2 = s1; // s1的所有权被移动到s2// println!("{}", s1); // 这行代码会报错，因为s1不再拥有这个值的所有权println!("{}", s2); // s2现在拥有这个值
}

在这个例子中，s1将其所有权移动到s2，因此s1不再有效。可以尝试在 Rust 在线工具 中运行。

首先要明确值的概念，上述例子中，字符串在堆上被分配的空间以及内容才是真正的值，而 s1 和 s2 是指向这个值的指针，也就是所有者。由于任何一个值在任何时刻有且只有一个所有者，当执行 let s2 = s1; 后，s1 不再拥有值的所有权，因此编译会报错。

如此编译错误也可以避免生产环境的 Use-after-free 漏洞。

再来看另一个例子：

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

上述代码会编译错误。可以尝试在 Rust 在线工具 中运行。

问题出来 calc_length，执行该函数时，值的所有权已经有 s1 移交给 s，而因为当所有者离开作用域后对应的值会被丢弃，s 所指向的值就被丢弃了。

想要避免这个编译错误，我们需要把所有权移交出去：

fn main() {let s1 = String::from("hello");let (s2, length) = calc_length(s1);println!("length of {} is {}.", s2, length);
}fn calc_length(s: String) -> (String, usize) {(s, s.len())
}

很不幸，上述代码会有新的编译错误。问题出在 (s, s.len());，因为任何一个值在任何时刻有且只有一个所有者，所有执行完前面一半代码后，(s, ，s 的所有权已经移交出去了，再执行后一半，s.len())，就会报错，因为 s 在这一刻就不存在了。

继续优化代码：

fn main() {let s1 = String::from("hello");let (s2, length) = calc_length(s1);println!("length of {} is {}.", s2, length);
}fn calc_length(s: String) -> (String, usize) {let length = s.len();(s, length)
}

2. 借用（Borrowing）

上述第二个例子的代码出现一个问题：只想要获取字符串长度，却需要将所有权转移两次。因此，Rust 提供了另外一个重要的概念：借用。

借用是指通过引用传递数据，而不是通过值传递。Rust 区分可变借用和不可变借用。

不可变借用

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() // 借用s，不会改变所有权
}

在这个例子中，calculate_length函数借用了s1的不可变引用，因此calculate_length函数不能修改s1的值。

可变借用

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

在这个例子中，change函数借用了s的可变引用，因此可以修改s的值。

由于 Rust 对所有权以及引用有严格的控制，因此 Rust 在任何时间可以准确知晓引用的数量，因此 Rust 可以对引用使用类似读锁（共享锁）以及写锁（排他锁）的控制。换句话说，Rust 中的任何值：

1. 在任意时间，要么只有一个可变引用（排他锁），要么只能有多个不可变引用（共享锁）
2. 引用必须总是有效的

上述特性在多线程编程尤为重要，可以很大程度保证代码的线程安全，并且由于这些分析发生在编译时，Rust 可以避免为了保证线程安全带来的额外性能开销。

3. 可变性（Mutability）

Rust 中变量默认是不可变的，需要显式地使用 mut 关键字声明可变变量。

fn main() {let mut x = 5;println!("The value of x is: {}", x);x = 6;println!("The value of x is: {}", x);
}

在这个例子中，x被声明为可变的，因此可以修改其值。

4. 作用域（Scope）

作用域决定了变量在程序中的生命周期。变量一旦离开作用域，其值会被自动销毁。

Rust 和大部分编程语言类似，值的作用域是离它的声明最近的一对花括号中间。

fn main() {{let s = String::from("hello"); // s在这个作用域内有效println!("{}", s);} // 这里s离开作用域并被销毁// println!("{}", s); // 这行代码会报错，因为s已经超出了作用域
}

在这个例子中，s的作用域仅限于花括号内部，一旦超出作用域，s会被销毁，无法再访问。

综合示例

下面的示例综合展示了所有权、借用、可变性和作用域：

fn main() {let mut s = String::from("hello");{let r1 = &s; // 不可变借用let r2 = &s; // 不可变借用println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);} // r1和r2在这里离开作用域{let r3 = &mut s; // 可变借用r3.push_str(", world");println!("r3: {}", r3);} // r3在这里离开作用域println!("s: {}", s);
}

这个例子展示了如何在不同作用域内进行不可变和可变借用，以及如何在作用域结束时自动释放借用。

通过这些示例，可以更好地理解Rust中的所有权、借用、可变性和作用域的基本概念。