Rust编程基础核心之所有权(上)

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1.什么是所有权?

Rust 的核心功能（之一）是 所有权（ownership）。虽然该功能很容易解释，但它对语言的其他部分有着深刻的影响。

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,例如:Java、Go；在另一些语言中，程序员必须亲自分配和释放内存,例如:C、C++。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。

因为所有权对很多程序员来说都是一个新概念，需要一些时间来适应。随着你对 Rust 和所有权系统的规则越来越有经验，你就越能自然地编写出安全和高效的代码, 需要学习者能够持之以恒。

当理解了所有权，将会有一个坚实的基础来理解那些使 Rust 独特的功能。

2.栈和堆基础

在很多语言中，并不需要经常考虑到栈与堆。不过在像 Rust 这样的系统编程语言中，值是位于栈上还是堆上在更大程度上影响了语言的行为以及为何必须做出这样的抉择。

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）。因为指向放入堆中数据的指针是已知的并且大小是固定的，你可以将该指针存储在栈上，不过当需要实际数据时，必须访问指针。

入栈比在堆上分配内存要快，因为（入栈时）分配器无需为存储新数据去搜索内存空间；其位置总是在栈顶。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为分配器必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，并接着做一些记录为下一次分配做准备。

访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须通过指针来访问。现代处理器在内存中跳转越少就越快（缓存）。出于同样原因，处理器在处理的数据彼此较近的时候（比如在栈上）比较远的时候（比如可能在堆上）能更好的工作。当你的代码调用一个函数时，传递给函数的值（包括可能指向堆上数据的指针）和函数的局部变量被压入栈中。当函数结束时，这些值被移出栈。

跟踪哪部分代码正在使用堆上的哪些数据，最大限度的减少堆上的重复数据的数量，以及清理堆上不再使用的数据确保不会耗尽空间，这些问题正是所有权系统要处理的。一旦理解了所有权，就不需要经常考虑栈和堆了，不过明白了所有权的主要目的就是为了管理堆数据，能够帮助解释为什么所有权要以这种方式工作。

3.所有权规则

所有权规则核心主要有三条,务必牢记:

  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。

在所有权的第一个例子中，我们看看一些变量的 作用域（scope）。作用域是一个项（item）在程序中有效的范围。假设有这样一个变量：

在所有权的第一个例子中，我们看看一些变量的 作用域（scope）。作用域是一个项（item）在程序中有效的范围。假设有这样一个变量：

let s = "hello";

变量 s 绑定到了一个字符串字面值，这个字符串值是硬编码进程序代码中的。这个变量从声明的点开始直到当前 作用域 结束时都是有效的。可以看下面的标注:

{ // 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

换句话说，这里有两个重要的时间点：

目前为止，变量是否有效与作用域的关系跟其他编程语言是类似的。现在在此基础上介绍 String 类型。

看下面的一段代码:

let s = String::from("hello");

这两个冒号 :: 是运算符，允许将特定的 from 函数置于 String 类型的命名空间（namespace）下，而不需要使用类似 string_from 这样的名字。

可以 修改此类字符串如下:

let mut s = String::from("hello");

s.push_str(", world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值

println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`

我们已经见过字符串字面值，即被硬编码进程序里的字符串值, 它们是不可变的。那么这里有什么区别呢？为什么 String 可变而字面值却不行呢？区别在于两个类型对内存的处理上。

4.所有权内存和分配

对于字符串字面值，我们在编译时就知道其内容，所以文本被直接硬编码进最终的可执行文件中。这使得字符串字面值快速且高效。不过这些特性都只得益于字符串字面值的不可变性。不幸的是，我们不能为了每一个在编译时大小未知的文本而将一块内存放入二进制文件中，并且它的大小还可能随着程序运行而改变。

对于 String 类型，为了支持一个可变，可增长的文本片段，需要在堆上分配一块在编译时未知大小的内存来存放内容。这意味着：

第一部分由我们完成：当调用 String::from 时，它的实现 (implementation) 请求其所需的内存。这在编程语言中是非常通用的。

然而，第二部分实现起来就各有区别了。在有 垃圾回收（garbage collector，GC）的语言中，GC 记录并清除不再使用的内存，而我们并不需要关心它。在大部分没有 GC 的语言中，识别出不再使用的内存并调用代码显式释放就是我们的责任了，跟请求内存的时候一样。从历史的角度上说正确处理内存回收曾经是一个困难的编程问题。如果忘记回收了会浪费内存。如果过早回收了，将会出现无效变量。如果重复回收，这也是个 bug。我们需要精确的为一个 allocate 配对一个 free。

Rust 采取了一个不同的策略：内存在拥有它的变量离开作用域后就被自动释放。下面是作用域例子的一个使用 String 而不是字符串字面值的版本：

{
        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

这是一个将 String 需要的内存返回给分配器的很自然的位置：当 s 离开作用域的时候。当变量离开作用域，Rust 为我们调用一个特殊的函数。这个函数叫做 drop，在这里 String 的作者可以放置释放内存的代码。Rust 在结尾的 } 处自动调用 drop。

这个模式对编写 Rust 代码的方式有着深远的影响。现在它看起来很简单，不过在更复杂的场景下代码的行为可能是不可预测的，比如当有多个变量使用在堆上分配的内存时。下面来探索一些场景。

5.变量与数据交互方式之移动

在 Rust 中，多个变量可以采取不同的方式与同一数据进行交互。看下面的例子:

let x = 5;
let y = x;

我们大致可以猜到这在干什么：将 5 绑定到 x；接着生成一个值 x 的拷贝并绑定到 y。现在有了两个变量，x 和 y，都等于 5。因为整数是有已知固定大小的简单值，所以这两个 5 被放入了栈中。

现在看看这个 String 版本：

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

这看起来与上面的代码非常类似，所以我们可能会假设它们的运行方式也是类似的：也就是说，第二行可能会生成一个 s1 的拷贝并绑定到 s2 上。不过，事实上并不完全是这样。

下面先看一张图解:

从左边代表的s1内容可以看到, String是由三部分组成: 一个指向存放字符串内容内存的指针, 一个是长度和一个容量。这一组数据存储在栈上, 而右侧的数据, 也就是"hello"字符串内容则是存储在堆上。

这里我们要区分一下长度和容量。长度是表示String的内容当前使用了多少字节的内存; 而容量是String从分配器总共获取了多少字节的内存。长度和容量的区别非常重要, 但在这里的上下文中并不重要, 所以现在暂时忽略容量。

当我们将s1赋值给s2, String的数据被复制了, 这意味着我们从栈上拷贝了它的指针、长度和容量。但并没有复制指针指向的堆上的数据:"hello", 为了更好的理解, 可以参考下面的图解:

从图中可以看出, 将s1赋给s2之后, s2有一份s1的拷贝,内容是: ptr、len和capacity, 设想一下, 如果此时Rust也拷贝了堆上的数据将会发生什么?那么内存看起来就像下面这样:

如果Rust真的这样做了, 在操作s2 = s1的过程中,假如堆里的数据不是"hello",而是一串大数据, 那么在运行时可能会对性能造成重大的影响。

之前我们提到过当变量离开作用域后，Rust 自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。当执行语句:s2 = s1时, 两个数据指针指向了同一个位置, 此时就有一个问题: 当s2和s1离开作用域, 它们都会尝试释放相同的内存, 这是一个典型的二次释放(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 s2 = s1; 之后，Rust 认为 s1 不再有效，因此 Rust 不需要在 s1 离开作用域后清理任何东西。看看在 s2 被创建之后尝试使用 s1 会发生什么, 代码如下:

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

println!("{}, world!", s1);

这段代码执行后, 会得到一个错误, 因为Rust禁止使用无效的引用,如图:

如果在其他语言中听说过术语 浅拷贝（shallow copy）和 深拷贝（deep copy），那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据可能听起来像浅拷贝。不过因为 Rust 同时使第一个变量无效了，这个操作被称为 移动（move），而不是叫做浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被 移动 到了 s2 中。那么具体发生了什么,可以参考下图:

当执行let s2 = s1后, s1被移动到s2, 随后被释放, 这样就解决了二次释放问题, 只有s2是有效的, 当其离开作用域, s2会释放自己的内存,完美解决。

另外，这里还隐含了一个设计选择：Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何 自动 的复制可以被认为对运行时性能影响较小。

6.总结

在本章节中, 我们学习到Rust的以下知识:

在下一篇文章中,我们将学习所有权的以下知识点:

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