what's ownership?

常見的高級(jí)語言都有自己的 Garbage Collection（GC）機(jī)制來管理程序運(yùn)行的內(nèi)存，例如 Java、Go 等。而 Rust 引入了一種全新的內(nèi)存管理機(jī)制，就是 ownership（所有權(quán)）。它在編譯時(shí)就能夠保證內(nèi)存安全，而不需要 GC 來進(jìn)行運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存回收。

在 Rust 中 ownership 有以下幾個(gè)規(guī)則：

• 每個(gè)值都有一個(gè) woner（所有者）
• 在同一時(shí)間，每個(gè)值只能有一個(gè) owner
• 當(dāng) owner 離開作用域，這個(gè)值就會(huì)被丟棄

Scope (作用域)

通過作用域來劃分 owner 的生命周期，作用域是一段代碼的范圍，例如函數(shù)體、代碼塊、if 語句等。當(dāng) owner 離開作用域，這個(gè)值就會(huì)被丟棄。

example:

fn main() {
    let s = String::from("hello"); // 變量 s 進(jìn)入作用域，分配內(nèi)存
    // s 在這里可用
} // 函數(shù)體結(jié)束，變量 s 離開作用域，s 被丟棄，內(nèi)存被回收

ownership transfer（所有權(quán)轉(zhuǎn)移）

和大多數(shù)語言一樣，Rust 在棧上分配基本類型的值，例如整型、浮點(diǎn)型、布爾型等。而在堆上分配復(fù)雜類型的值，例如 String、Vec 等。所以，這里就引入了兩個(gè)概念，move 和 clone。

move

move 操作會(huì)將變量的所有權(quán)轉(zhuǎn)移給另一個(gè)變量，這樣原來的變量就不能再使用了。這里需要注意的是，move 操作只會(huì)發(fā)生在棧上的值，因?yàn)樵诙焉系闹凳遣豢蓮?fù)制的，所以只能通過 clone 操作來復(fù)制。

example:

fn main(){
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;
    print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

在上面的代碼例子中，如果你執(zhí)行就會(huì)在編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)：

  --> src/main.rs:11:32
   |
9  |     let s1 = String::from("hello");
   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
10 |     let s2 = s1;
   |              -- value moved here
11 |     print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
   |                                ^^ value borrowed here after move

編譯器提示我們，s1 在賦值給 s2 時(shí)發(fā)生了 move 的操作，它把字符串 hello 的所有權(quán)移交給了 s2，此時(shí) s1 的作用域到這里就結(jié)束了，所以后面再使用 s1 就會(huì)報(bào)錯(cuò)。

clone

clone 操作會(huì)將變量的值復(fù)制一份，這樣原來的變量和新的變量就都可以使用了。

這里需要注意的是，clone 操作只會(huì)發(fā)生在堆上的值，因?yàn)樵跅Ｉ系闹凳强蓮?fù)制的，所以只能通過 move 操作來轉(zhuǎn)移所有權(quán)。

example:

fn main(){
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1.clone();
    print!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

我們對(duì) s1 進(jìn)行 clone 操作，這樣 s1 和 s2 都可以使用了，而且 s1 的所有權(quán)也沒有被轉(zhuǎn)移，所以后面還可以繼續(xù)使用 s1。

copy

如果一個(gè)類型實(shí)現(xiàn)了 copy 這個(gè) trait，使用它的變量不會(huì)移動(dòng)，而是被簡(jiǎn)單地復(fù)制，使它們?cè)诜峙浣o另一個(gè)變量后仍然有效。

example:

fn main() {
    let x = 5;
    let y = x;
    print!("x = {}, y = {}", x, y);
}

當(dāng) x 賦值給 y 后，x 和 y 都可以使用，而且 x 的所有權(quán)也沒有被轉(zhuǎn)移，所以后面還可以繼續(xù)使用 x。這是因?yàn)?i32 這個(gè)類型實(shí)現(xiàn)了 copy 這個(gè) trait，所以 x 的值被復(fù)制了一份，所以 x 和 y 都可以使用。

以下這些數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)了 copy 這個(gè) trait：

• 所有的整數(shù)類型，例如：u32、i32。
• 布爾類型，bool，有 true 和 false 兩個(gè)值。
• 所有的浮點(diǎn)數(shù)類型，例如：f64、f32。
• 字符類型，char。
• 元組，當(dāng)且僅當(dāng)它們的元素類型都實(shí)現(xiàn)了 copy 這個(gè) trait。例如，(i32, i32) 實(shí)現(xiàn)了 copy，但是 (i32, String) 就沒有實(shí)現(xiàn)。

References and Borrowing（引用和借用）

我們將創(chuàng)建引用的動(dòng)作稱為借用。就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣，如果一個(gè)人擁有某樣?xùn)|西，你可以向他們借用。完成后，您必須將其歸還。你不擁有它。 引用有以下幾個(gè)規(guī)則：

• 在任何給定時(shí)間，你可以擁有任意數(shù)量的引用，但是只能擁有一個(gè)可變引用。
• 引用必須總是有效的。

example1:

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()
} // s 作用域失效，但是由于 s 是一個(gè)引用，沒有所有權(quán)，所以不會(huì)發(fā)生任何事情

上面代碼中，我們使用符號(hào) & 來創(chuàng)造一個(gè)變量的引用。這里我們使用 &s1 來把這個(gè)引用指向 s1。函數(shù) calculate_length 的參數(shù) s 的類型是 &String，這意味著它是一個(gè)指向 String 類型的引用，然后在函數(shù)體內(nèi)獲取 s 的長(zhǎng)度并返回給調(diào)用者。

example2:

fn main(){
    // 同一時(shí)間可以擁有多個(gè)不可變引用
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = &s1;
    let s3 = &s1;
    println!("s1 = {}, s2 = {}, s3 = {}", s1, s2, s3);
}

Mutable References（可變引用）

可變引用指的是可以改變引用值的引用。在同一作用域中，同一時(shí)間只能有一個(gè)可變引用。

example:

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

上面代碼中，我們用 mut 先創(chuàng)建了一個(gè)可變變量 s,然后使用 &mut s 創(chuàng)建了一個(gè)指向 s 的可變引用。函數(shù) change 的入?yún)⒁彩且粋€(gè)指向 String 類型的可變引用，這樣我們就可以在函數(shù) change 中改變 s 的值了。

example2:

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let r1 = &mut s;
    let r2 = &mut s;  // 在這里。編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)樵谕蛔饔糜蛑?，同一時(shí)間只能有一個(gè)可變引用。
    println!("{}, {}", r1, r2);
}

  --> src/main.rs:41:14
   |
40 |     let r1 = &mut s;
   |              ------ first mutable borrow occurs here
41 |     let r2 = &mut s;
   |              ^^^^^^ second mutable borrow occurs here
42 |
43 |     println!("{}, {}", r1, r2);
   |                        -- first borrow later used here

Dangling References（懸垂引用）

懸垂引用是指引用一個(gè)不存在的值。在 Rust 中，這是不可能的，因?yàn)榫幾g器會(huì)在編譯時(shí)就檢查這種情況。下面是一個(gè)例子：

fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle(); // 獲得一個(gè)指向不存在值的引用
}
fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("hello"); // s 進(jìn)入作用域
    &s // 返回 s 的引用
} // s 作用域結(jié)束，s 被丟棄，內(nèi)存被釋放

  --> src/main.rs:51:16
   |
51 | fn dangle() -> &String {
   |                ^ expected named lifetime parameter

因?yàn)樽兞?s 的作用域只在 dangle 函數(shù)內(nèi)，當(dāng) dangle 函數(shù)返回 s 的引用時(shí)，s 已經(jīng)被釋放了，所以這個(gè)引用就是懸垂引用了。 解決這個(gè)的方法是返回一個(gè) String 而不是一個(gè)引用，這樣 s 就不會(huì)被釋放，而是把 s 的所有權(quán)轉(zhuǎn)移給了調(diào)用者，也就不存在懸垂引用了。

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

以上就是Rust 所有權(quán)機(jī)制原理深入剖析的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Rust 所有權(quán)機(jī)制的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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