楔子

好久沒更新 Rust 了，上一篇文章中我們介紹了 Rust 的所有權(quán)，并且最后定義了一個 get_length 函數(shù)，但調(diào)用時會導(dǎo)致 String 移動到函數(shù)體內(nèi)部，而我們又希望在調(diào)用完畢后能繼續(xù)使用該 String，所以不得不使用元組將 String 也作為元素一塊返回。

//?該函數(shù)計算一個字符串的長度
fn?get_length(s:?String)?->?(String,?usize)?{
????//?因為這里的?s?會獲取變量的所有權(quán)
????//?而一旦獲取，那么調(diào)用方就不能再使用了
????//?所以我們除了要返回計算的長度之外
????//?還要返回這個字符串本身，也就是將所有權(quán)再交回去
????let?length?=?s.len();
????(s,?length)
}


fn?main()?{
????let?s?=?String::from("古明地覺");

????//?接收長度的同時，還要接收字符串本身
????//?將所有權(quán)重新?"奪"?回來
????let?(s,?length)?=?get_length(s);
????println!("s?=?{},?length?=?{}",?s,?length);?
????/*
????s?=?古明地覺,?length?=?12
????*/
}

但這種寫法很笨拙，下面我們將 get_length 函數(shù)重新定義，并學習 Rust 的引用。

什么是引用

新的函數(shù)簽名使用了 String 的引用作為參數(shù)，而沒有直接轉(zhuǎn)移所有權(quán)。

fn?get_length(s:?&String)?->?usize?{
????s.len()
}

fn?main()?{
????let?s1?=?String::from("hello");
????let?length?=?get_length(&s1);
????println!("s1?=?{},?length?=?{}",?s1,?length);?
????//?s1?=?hello,?length?=?5
}

首先需要注意的是，變量聲明以及函數(shù)返回值中的那些元組代碼都消失了。其次在調(diào)用 get_length 函數(shù)時使用了 &s1 作為參數(shù)，并且在函數(shù)的定義中，我們使用 &String 替代了 String。而 & 代表的就是引用語義，它允許我們在不獲取所有權(quán)的前提下使用值。

既然有引用，那么自然就有解引用，它使用 * 作為運算符，含義和引用相反，我們會在后續(xù)詳細地介紹。

現(xiàn)在，讓我們仔細觀察一下這個函數(shù)的調(diào)用過程：

let?s1?=?String::from("hello");
let?length?=?get_length(&s1);

這里的 &s1 允許我們在不轉(zhuǎn)移所有權(quán)的前提下，創(chuàng)建一個指向 s1 值的引用，由于引用不持有值的所有權(quán)，所以當引用離開當前作用域時，它指向的值也不會被丟棄。同理，函數(shù)簽名中的 & 用來表明參數(shù) s 的類型是一個引用。

???????????//?s?是一個指向?String?的引用
fn?get_length(s:?&String)?->?usize?{?
????s.len()
}??//?到這里?s?離開作用域
???//?但由于它并不持有自己指向值的所有權(quán)
???//?所以最終不會發(fā)生任何事情

此處變量 s 的有效作用域與其它任何函數(shù)參數(shù)一樣，但唯一不同的是，它不會在離開自己的作用域時銷毀其指向的數(shù)據(jù)，因為它并不擁有該數(shù)據(jù)的所有權(quán)。當一個函數(shù)使用引用而不是值本身作為參數(shù)時，我們便不需要為了歸還所有權(quán)而特意去將值返回，畢竟在這種情況下，我們根本沒有取得所有權(quán)。

而將引用傳遞給函數(shù)參數(shù)的這一過程被稱為借用（borrowing），在現(xiàn)實生活中，假如一個人擁有某件東西，你可以從他那里把東西借過來。但是當你使用完畢時，還必須將東西還回去。

Rust 的變量也是如此，如果一個值屬于該變量，那么該變量離開作用域時會銷毀對應(yīng)的值，就好比東西你不想要了，你可以將它扔掉，因為東西是你的。但如果是借用的話，變量在離開作用域時，這個值并不會被銷毀，就好比東西你不想要了，但這個東西并不屬于你，因此你要將它還回去，并且這個東西還在。

至于后續(xù)這個東西是否會被扔掉、何時被扔掉，就看它真正的主人是否還需要它，如果不需要了，東西的主人是有權(quán)利銷毀的，因為這東西是他的。當然，他也可以將東西送給別人，此時就相當于發(fā)生了所有權(quán)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移之后這東西跟他也沒關(guān)系了。

然后問題來了，如果我們嘗試修改借用的值會怎么樣呢？相信你能猜到，肯定是不允許的，還是拿借東西舉例子，東西既然是借的，就說明你只有使用權(quán)，而沒有修改它的權(quán)利。

fn?change_string(s:?&String)?{
????s.push_str("?world");
}

fn?main()?{
????let?s1?=?String::from("hello");
????change_string(&s1);
}

執(zhí)行這段代碼會出現(xiàn)編譯錯誤：

與變量類似，引用是默認不可變的，Rust 不允許我們?nèi)バ薷囊弥赶虻闹怠?/p>

可變引用

我們可以通過一個小小的調(diào)整來修復(fù)上面的示例中出現(xiàn)的編譯錯誤：

fn?change_string(s:?&mut?String)?{
????s.push_str("?world");
}

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????change_string(&mut?s1);
}

首先我們需要將變量 s1 聲明為 mut，即可變的，也就是東西的主人能夠允許它的東西發(fā)生變化。其次，要使用 &mut s1 來給函數(shù)傳入一個可變引用，意思就是東西的主人在將東西借給別人時專門強調(diào)了，自己的東西允許修改，不然別人不知道啊。

所以這里如果不傳遞可變引用的話，即使 s1 是可變的，函數(shù) change_string 里面也不能對值進行修改。因此調(diào)用函數(shù)的時候要傳遞可變引用，當然函數(shù)參數(shù)接收的也要是一個可變引用，因為類型要匹配。

另外，除了將引用作為參數(shù)傳遞之外，還可以賦值給一個變量，因為作為函數(shù)參數(shù)和賦值給一個變量是等價的。

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????//?可變引用指的是，引用指向的值可以修改
????//?所以要注意這里的寫法，不要寫成了?let?mut?s2:?&String
????//?這表示?s2?是個不可變引用，但?s2?本身是可變的
????//?可變引用是一個整體，所以?&mut?String?要整體作為?s2?的類型
????let?s2:?&mut?String?=?&mut?s1;
????//?當然啦，此時?s2?引用的值可變，但?s2?本身不可變
????//?如果希望?s2?還能接收其它字符串的可變引用，那么應(yīng)該這么聲明
????//?let?mut?s2:?&mut?String?=?&mut?s1;
????//?此時表示?s2?是個可變引用，它引用的值可以修改
????//?并且 s2 本身也是可變的?；蛘哌€有更簡單的寫法：
????//?直接寫成?let?mut s2?=?&mut?s1?也行，因為?Rust?會做類型推斷
???
????s2.push_str("?world");
????println!("{}",?s1);??//?hello?world
}

此外要注意：當變量聲明為不可變時，只能創(chuàng)建不可變引用。

fn?main()?{
????let?s1?=?String::from("hello");
????let?s2:?&mut?String?=?&mut?s1;
????println!("{}",?s2);?
}

代碼中的 s1 不可變，但卻創(chuàng)建了可變引用，于是報錯。

因為 s1 是不可變的，就意味著數(shù)據(jù)（包括棧內(nèi)存、堆內(nèi)存）不可以修改，所以此時不能創(chuàng)建可變引用，否則就意味著值是可以修改的，于是就矛盾了。因此當變量聲明為不可變時，不可以將可變引用賦值給其它變量。

但當變量聲明為可變時，既可以創(chuàng)建可變引用，也可以創(chuàng)建不可變引用。如果是可變引用，那么允許通過引用修改值；如果是不可變引用，那么不允許通過引用修改值。

fn?main()?{
????//?變量可變
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????//?可以通過?&s1?創(chuàng)建不可變引用
????//?也可以通過?&mut?s1?創(chuàng)建可變引用
????//?但前者不可以修改值，后者可以
}

另外可變引用有一個很大的限制：對于特定作用域中的特定數(shù)據(jù)來說，一次只能聲明一個可變引用，否則會導(dǎo)致編譯錯誤。

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????let?s2?=?&mut?s1;
????let?s3?=?&mut?s1;
????s2.push_str("xx");
????s3.push_str("yy");
????println!("{}",?s1);
}

我們將 s1 的可變引用給了 s2 之后又給了 s3，而這是非法的。

但 Rust 做了一個 "容忍" 操作，那就是聲明多個引用之后，如果都不使用的話，那么也不會出現(xiàn)錯誤。

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????let?s2?=?&mut?s1;
????let?s3?=?&mut?s1;
????println!("{}",?s1);??//?hello
}

以上這段代碼可以順利執(zhí)行，雖然聲明了多個可變引用，但我們沒有使用，所以 Rust 編譯器就大發(fā)慈悲 "饒" 了我們。但只要對任意某個引用執(zhí)行了任意某個操作，那么 Rust 就不會再手下留情了，比如：

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????let?s2?=?&mut?s1;
????let?s3?=?&mut?s1;
????println!("{}",?s2);?
}

我們上面對 s2 執(zhí)行了打印操作，于是 Rust 就會提示我們可變引用只能被借用一次。

但說實話 Rust 編譯器做的這個 "忍讓" 對于我們而言沒有太大意義，因為它要求我們聲明多個可變引用之后不能使用其中的任何一個，但問題是聲明引用就是為了使用它，不然聲明它干嘛。因此我們?nèi)钥梢哉J為：對于特定作用域中的特定數(shù)據(jù)來說，一次只能聲明一個可變引用，否則會導(dǎo)致編譯錯誤。

這個規(guī)則使得引用的可變性只能以一種受到嚴格限制的方式來使用，許多剛剛接觸 Rust 的開發(fā)者會反復(fù)地與它進行斗爭，因為大部分的語言都允許你隨意修改變量。但另一方面，在 Rust 中遵循這條限制性規(guī)則可以幫助我們在編譯時避免數(shù)據(jù)競爭。數(shù)據(jù)競爭（data race）與競態(tài)條件十分類似，它會在指令同時滿足以下 3 種情形時發(fā)生：

• 兩個或兩個以上的指針同時訪問同一空間；
• 其中至少有一個指針會向空間中寫入數(shù)據(jù)；
• 沒有同步數(shù)據(jù)訪問的機制；

數(shù)據(jù)競爭會導(dǎo)致未定義的行為，由于這些未定義的行為往往難以在運行時進行跟蹤，也就使得出現(xiàn)的 bug 更加難以被診斷和修復(fù)。Rust 則完美地避免了這種情形的出現(xiàn)，因為存在數(shù)據(jù)競爭的代碼連編譯檢查都無法通過??。

與大部分語言類似，我們可以通過花括號來創(chuàng)建一個新的作用域范圍，這就使我們可以創(chuàng)建多個可變引用，當然，同一時刻只允許有一個可變引用。

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????{
????????let?s2?=?&mut?s1;
????????s2.push_str("?cruel");
????????println!("s2?=?{}",?s2);
????????println!("s1?=?{}",?s1);
????}
????//?這個?s3?不能聲明在上面的大括號之前，也就是不能先聲明?s3
????//?因為先聲明?s3?的話，那么聲明?s2?的時候就會出現(xiàn)兩個可變引用
????//?違反了同一時刻只能有一個可變引用的原則
????//?但是將?s3?聲明在這里就沒有問題，因為聲明?s2?的時候?s3?還不存在
????//?聲明?s3?的時候?s2?已經(jīng)失效了
????//?所以此時滿足同一時刻只能有一個可變引用的原則，我生君未生、君生我已死
????let?s3?=?&mut?s1;
????s3.push_str("?world");
????println!("s3?=?{}",?s3);??
????println!("s1?=?{}",?s1);??
????/*
????s2?=?hello?cruel
????s1?=?hello?cruel
????s3?=?hello?cruel?world
????s1?=?hello?cruel?world
?????*/
}

注意：我們一直說的"一個可變引用"、"多個可變引用"，它們針對的都是同一變量；如果是多個彼此無關(guān)的變量，那么它們的可變引用之間也沒有關(guān)系，此時是可以共存的。比如同一時刻有 N 個可變引用，但它們引用的都是不同的變量，所以此時沒有問題。

我們一直說的不允許存在多個可變引用，指的是同一變量的多個可變引用，這一點要分清楚。

如果是編程老手的話，那么應(yīng)該會想到，如果同時存在可變引用和不可變引用會發(fā)生什么呢？我們試一下就知道了。

fn?main()?{
????let?mut?s1?=?String::from("hello");
????let?s2?=?&s1;
????let?s3?=?&mut?s1;
????println!("{}",?s2);
????println!("{}",?s3)
}

所以在結(jié)合使用可變引用與不可變引用時，還有一條類似的限制規(guī)則，我們不能在擁有不可變引用的同時創(chuàng)建可變引用，否則不可變引用就沒有意義了。但同時存在多個不可變引用是合理合法的，數(shù)據(jù)的讀操作之間不會彼此影響。

就有點類似于讀鎖和寫鎖的關(guān)系。

盡管這些編譯錯誤會讓人不時地感到沮喪，但是請牢記一點：Rust 編譯器可以為我們提早（在編譯時而不是運行時）暴露那些潛在的bug，并且明確指出出現(xiàn)問題的地方。你不再需要去追蹤調(diào)試為何數(shù)據(jù)會在運行時發(fā)生了非預(yù)期的變化。

懸空引用

使用擁有指針概念的語言會非常容易錯誤地創(chuàng)建出懸空指針，這類指針指向曾經(jīng)存在的某處內(nèi)存，但現(xiàn)在該內(nèi)存已經(jīng)被釋放掉、或者被重新分配另作他用了。而在 Rust 語言中，編譯器會確保引用永遠不會進入這種懸空狀態(tài)，假如我們當前持有某個數(shù)據(jù)的引用，那么編譯器可以保證這個數(shù)據(jù)不會在引用被銷毀前離開自己的作用域。

讓我們試著來創(chuàng)建一個懸空引用，并看一看 Rust 是如何在編譯期發(fā)現(xiàn)這個錯誤的：

fn?dangle()?->?&String?{
????let?s?=?String::from("hello?world");
????&s
}

fn?main()?{
????
}

出現(xiàn)的錯誤如下所示：

這段錯誤的提示信息包含了一個我們還沒有接觸的概念：生命周期，我們會后續(xù)詳細討論它。但即使不考慮生命周期，甚至不看錯誤提示，我們也知道原因。dangle 里面的字符串 s 在函數(shù)結(jié)束后就會失效，內(nèi)存會回收，但我們卻返回了它的引用。

此處和 C 就出現(xiàn)了不同，C 中的堆內(nèi)存如果我們不手動釋放，那么它是不會自己釋放的。而 Rust 中的堆內(nèi)存會在變量離開作用域的時候自動回收，既然回收了，那么再返回它的引用就不對了，因為指向的內(nèi)存是無效的。所以我們也能猜到生命周期是做什么的，后續(xù)聊。

而這個問題的解決辦法也很簡單，直接返回 String 就好。

fn?dangle()?->?String?{
????let?s?=?String::from("hello?world");
????s
}

這種寫法沒有任何問題，因為所有權(quán)從 dangle 函數(shù)中被轉(zhuǎn)移出去了，自然也就不會涉及釋放操作了。

小結(jié)

讓我們簡要地概括一下對引用的討論：

在任何一段給定的時間里，要么只能擁有一個可變引用，要么只能擁有任意數(shù)量的不可變引用；

引用總是有效的；

到此這篇關(guān)于深入了解Rust中引用與借用的用法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Rust引用 借用內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評論