Rust 所有权机制

本文示例代码地址

所有权是Rust中最独特的特性，它让Rust无需GC就可以保证内存安全。

什么是所有权？

所有权（ownership）是 Rust 用于如何管理内存的一组规则。所有程序都必须管理其运行时使用计算机内存的方式。一些语言中具有垃圾回收机制，在程序运行时有规律地寻找不再使用的内存；在另一些语言中，程序员必须亲自分配和释放内存。Rust 则选择了第三种方式：通过所有权系统管理内存，编译器在编译时会根据一系列的规则进行检查。如果违反了任何这些规则，程序都不能编译。在运行时，所有权系统的任何功能都不会减慢程序。

摘自：什么是所有权

栈内存和堆内存（Stack vs Heap）

在Rust语言中，一个值在栈内存还是堆内存，对语言的行为和编码时要为此做的操作有更大的影响。

栈和堆都是代码在运行时可供使用的内存，但是它们的结构不同。栈以放入值的顺序存储值并以相反顺序取出值。这也被称作 后进先出（last in, first out）。

增加数据叫做 进栈（pushing onto the stack），而移出数据叫做 出栈（popping off the stack）。栈中的所有数据都必须占用已知且固定的大小。在编译时大小未知或大小可能变化的数据，要改为存储在堆上。 堆是缺乏组织的：当向堆放入数据时，你要请求一定大小的空间。内存分配器（memory allocator）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（pointer）。这个过程称作 在堆上分配内存（allocating on the heap），有时简称为 “分配”（allocating）。

所有权规则

1. Rust 中的每一个值都有一个 所有者（owner）。
2. 值在任一时刻有且只有一个所有者。
3. 当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。

变量的作用域

字符串字面值是被硬编码进程序里的字符串值，不可变，存储在栈当中，并且当离开作用域时被移出栈。String类型存储在堆当中，可变，所以在这里更适合用来讨论所有权机制以及变量作用域的情况。

Rust释放无用内存的策略：内存在拥有它的变量离开作用域后就被自动释放。

使用大括号可以自定义变量的作用域范围，以下分别是字符串字面值和String类型的关于作用域的示例：

// 字符串字面值
{                      // 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

// String 类型
{let s = String::from("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

String类型

演示String类型的变量作用域，y和x 指向堆中的同一块内存区域，Rust为了保证内存安全，如果x赋值给了y，就会结束x的作用域，代码示例：

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

执行结果：

   |
11 |     let x = String::from("5");|         - move occurs because `x` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
12 |     let y = x;|             - value moved here
13 |     println!("x:{}", x);|                      ^ value borrowed here after move

两个数据指针指向了同一位置。这就有了一个问题：当 x 和 y 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。

为了确保内存安全，在 let y = x; 之后，Rust 认为 x 不再有效，因此 Rust 不需要在 x 离开作用域后清理任何东西。此时，只有 s2 是有效的，当其离开作用域，它就释放自己的内存。

clone

如果我们 确实 需要深度复制 String 中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做 clone 的通用函数。

    let x = String::from("5");let y = x.clone();println!("x:{}", x);

存放在栈上的整形变量，经过移动后，依然有效。因为默认实现了 Copy trait，代码示例：

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

执行结果：

x:5

如果一个类型实现了 Copy trait，那么一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。

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实现 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 实现了 Copy，但 (i32, String) 就没有。

所有权与函数

和变量之间进行赋值类似，变量在函数中的移动也会发生作用域的变化，代码示例：

fn takes_ownership(some_string: String) {println!("{}", some_string);
}#[cfg(test)]
mod tests {use super::*;#[test]fn test_takes_ownership() {let s = String::from("hello");takes_ownership(s);println!("s:{}", s); // 这里发生报错}}

执行 test_takes_ownership()

error[E0382]: borrow of moved value: `s`--> crates/ownership_demo/src/lib.rs:14:26|
12 |         let s = String::from("hello");|             - move occurs because `s` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
13 |         takes_ownership(s);|                         - value moved here
14 |         println!("s:{}", s);|                          ^ value borrowed here after move|
note: consider changing this parameter type in function `takes_ownership` to borrow instead if owning the value isn't necessary--> crates/ownership_demo/src/lib.rs:1:33|
1  | fn takes_ownership(some_string: String) {|    ---------------              ^^^^^^ this parameter takes ownership of the value|    ||    in this function= note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider cloning the value if the performance cost is acceptable|
13 |         takes_ownership(s.clone());|   

当 s 传入到函数当中时，s的作用域就到了函数中，函数后面再获取s将不被允许，发生编译错误，执行也会发生异常。

但是对于类型是i32类型的参数，情况不同，代码示例如下：

fn takes_ownership(some_string: String) {println!("{}", some_string);
}fn takes_ownership_i32(value: i32) {println!("{}", value);
}#[cfg(test)]
mod tests {use super::*;#[test]fn test_takes_ownership() {let s = String::from("hello");takes_ownership(s);//println!("s:{}", s);}#[test]fn test_takes_ownership_i32() {let value = 12;takes_ownership_i32(value);println!("value:{}", value);}}

执行 test_takes_ownership_i32()

running 1 test
test tests::test_takes_ownership_i32 ... oksuccesses:---- tests::test_takes_ownership_i32 stdout ----
12
value:12successes:tests::test_takes_ownership_i32

同理，如果一个类型实现了 Copy trait，那么一个变量在将其传递到函数当中后，函数之后可以再读取该变量。

返回值与作用域

返回值也可以转移所有权。

// 返回一个String 类型
fn gives_ownership() -> String {let s = String::from("hello"); // s进入作用域s                              // s 返回给调用函数
}#[test]
fn test_gives_ownership() {let s = gives_ownership(); // s进入作用域takes_ownership(s); // s作用域移到takes_ownership函数中println!("s:{}", s); // s 已经被移走，这里会报错  borrow of moved value: `s`
}

由此可见，变量在函数调用过程中，作用域会随着函数传入变量，函数返回变量发生变化，无法顺畅的在函数调用后继续使用变量。

这里就引入了引用的概念，可以使用引用实现丝滑的使用变量和函数。