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4 - Ownership.md

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Rust - Ownership

  **所有权 (Ownership)**是Rust语言中最为独特的功能之一。通过所有权，Rust实现了在没有GC的前提下保障内存安全。

Introduction

  **所有权 (Ownership)**的概念在Rust中较为特殊。通常，没有垃圾回收机制（GC）的语言，如C/C++等，会让程序员手动进行内存管理；而具有GC的语言，如JAVA，提供了自动定期检查并回收不再需要的垃圾内存的机制。

  Rust语言采用第三种方式，基于所有权系统的内存管理。这种内存管理是在编译时确定的，当Rust编译器检查到一部分内存不再被使用，会将收回内存的工作静态编译进程序中。这种方式既保证了内存安全，又减少了GC的开销，大大增加了程序运行效率。

Ownership Rules 所有权规则

  • 每个值(value)对应一个变量(variable)作为所有者(owner)
  • 同一时间，值有且仅有一个所有者
  • 当所有者离开自己作用域时，持有的信息会被释放

Variable Scope 变量作用域

作用域，在Rust中通常为被括号{}包含的部分。

  • 变量从声明开始到作用域结束的区域内都有效

String 类型

在Rust中，主要有两种字符串存储模式：

  • str类型：又被称为string slice，是Rust最基础的字符串类型，一般用于字面量

    • 由一个指针和编码字符串字节组成
    • 字节硬编码于二进制代码中，不可修改

  • String类型存储在堆上，方便我们学习Rust内存管理

    • String是最常用的字符串类型，拥有对字符串内容的所有权
    • 使用String::from函数，将字符串字面量str转换为可变的String

Memory and Allocation 内存与分配

对String类型，由于需要支持其可变特性，必须将其安排在堆上。

  • 声明时，向系统动态申请内存，用于存放字符串内容
  • 当使用完成时，将自动调用drop函数进行是释放
    • 编译器通过变量作用域规则判断一个变量的值是否不再需要，进而判断销毁时机

Attention：在对象生命周期结束时释放资源的模式，在C++中称为资源获取即初始化(Resource Acquisition Is Initialization, RAII)

move 移动

在一些简单数据类型上，Rust会复制两个对象，并直接在栈上储存

let x = 5;
let y = x;		// value copied

但是对于一些复杂对象，如String结构，则会采用move，只转移所有权

一个String包含三个部分：

  • pointer 指向String内容（字符串首地址）
  • len 存储字符串长度
  • capacity 字符串容量

  如果需要对一个String的值生成两个引用，则会拷贝两份ptr、len和capacity。但这样带来了比较大的隐患：当一个变量离开作用域，则会drop，如果非同时离开作用域，则会导致UAF(Use After Free)或者DF(Double Free)

  move操作会将右值变量设为无效。转移后的变量不能被使用，离开作用域也不会触发drop。如果尝试使用变量，则会报编译错误used of moved value。这与浅拷贝(shallow copy)不同。

  • Rust永远不会自动创建数据的深度拷贝，所以自动赋值操作永远是高效的

clone 克隆

某些类型提供了clone方法，提供数据的深度拷贝。

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();

println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);

栈上数据的复制

对于栈上的简单数据，

  • 定长
  • 可完全放入栈中

我们不需要使用move以保证安全，换句话说，深拷贝和浅拷贝造成的结果是一样的。可以直接进行复制。

Rust提供Copy trait，可以用于整数这类完全存储在栈上的数据类型。定义这种trait后，变量可以在复制给其他变量后保持可用性。

  • 如果实现了Drop(即具有堆上数据，需要另外进行清理)，则不能实现Copy
  • 一般来说，简单标量及其组合类型都是Copy的，需要分配内存或资源的类型都不会是Copy的

所有权与函数

  • 将值传递给函数在语义上类似于对变量进行赋值。将变量传递给函数将触发移动(move)或复制(copy)。

  • 函数的返回值同样等效于赋值，会将所有权转移出函数

    • 返回值的作用域从调用函数的行开始，一直到调用函数的作用域结束

Refernces and Borrowing 引用与借用

使用引用Reference可以使用参数的部分功能，但同时不会拥有所有权。

引用

使用&表示引用语义，*表示解引用 (dereferencing)。创建引用的行为被称为借用 (borrow)

fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
    
    println!("length of string {} is {}", s1, calc_string_len(&s1));
}

fn calc_string_len(s: &String) -> usize {
    *s.len()
}

  • ps: 此处的*不是必须的，涉及方法的自动引用和解引用，将在后面讲到

  • 引用不拥有数据的所有权，不会在离开作用域时销毁数据

可变引用

使用&mut创建数据的可变引用，默认不可变

let s_ref = &mut s;

  • 被引用对象必须是可变的

  • 可以使用可变对象的所有功能

  • 同时只能有一个可变借用，这里借用包含原变量和引用变量，如下所示

    fn main() {
	let mut s = String::from("Hello");
	let s_ref = &mut s;
	s.push_str("string");
	s_ref.push_str("string");
}

    • 这个程序会报cannot borrow 's' as mutable more than once at a time。并且，在借用被使用的时候才会触发(第五行)。这种设计可以在编译器层面防止数据竞争。

    • 上面的例子中，如果将s_ref在一个函数里使用，则不会产生问题，因为在使用原变量时，对其数据的引用已经销毁了

      fn main() {
	let mut s = String::from("Hello");
	add_string(&mut s);
	s.push_str("string");
	println!("String is {}", s);
}

fn add_string(s: &mut String) {
	s.push_str(", world. ");
}

    • 不能同时使用可变引用和不可变引用，不可变引用保证了数据在其引用期间的不可变性，类似于读者锁。

悬垂引用

Dangling Reference 悬垂引用，在应用裸指针概念的语言中比较常见。当一个对象被销毁，但是对该对象的引用（指针）没有销毁，则会出现悬垂引用。这个指针指向的数据是无效的。如果使用这个引用，就会出现非常常见的错误——UAF(Use After Free)。

Rust编译器会确保不会进入悬垂状态。如果当前存在一个对某个数据的引用，编译器会确保数据不会在引用存在时**离开作用域（而被销毁）**或修改（仅针对不可变引用）。

以下的代码将被Rust识别为悬垂引用，并报编译错误：

fn dangling_test() -> &String {
	let s = String::from("Hello world");
	&s
}

编译器提示missing lifetime specifier， "This function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from"，表示该引用已经找不到被借用的对象，无法继续使用。

Slice 切片

考虑一个需要引用一个字符串的部分（或全部）而不需要所有权的情景。如果单独使用数字索引作为记录，是根据数据的某个特定状态得到的，没有跟数据产生任何程度上的联系。这将导致更新同步上的诸多问题。Rust针对这个问题，采用了**切片(Slice)**的解决方案。注意，切片类型不同于原类型，不支持一些原类型的操作，如插入等。

字符串切片

切片与创建引用类似，后面跟范围区间：

let s = String::from("Hello world");
let s1 = &s[0..5];
let s2 = &s[..5];	// same as s1
let whole_s = &s[..];
  • 可以使用简写的前后区间，表示开头和末尾
  • Attention: 如果对UTF-8字符串进行切片，切片边界必须在字符之间（不能在单个字符中间），否则会报运行时错误。
  • 字符串切片的类型为&str，不能直接修改值

本质上，字符串字面量就是一个切片，它的类型为&str。在使用中，可以将完整的String用切片作为参数传入，不会影响功能，能让API更加通用。

通用数组切片

Rust提供了更加通用的数组切片：

let a = [1, 2, 3];
let b = &a[..2];

let mut a = [1, 2, 3];	// mutable
let b = &mut a[..];		// mutable slice
b[0] = 0;				// edit mutable data
  • 不可变切片类型为&[i32]，可变切片类型为&mut [i32]

这里同样涉及可变与不可变引用：

  • 如果存在一个不可变切片，则不能改变原数据
  • 如果已经存在一个可变切片，则只有可变切片（已经借用的）允许数据修改，而不允许使用原变量修改