Rust入门-所有权与借用

一、为什么、是什么、怎么用

1、为什么Rust要提出一个所有权和借用的概念

所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成为所有编程语言设计的难点之一。

主要分为三种流派：

(1)垃圾回收机制(GC)，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：Java、Go

(2)手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++

(3)通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查。避免手动或者运行时垃圾回收带来的额外成本。

讲到内存，在编程语言中，都会讲到栈、堆，栈和堆的结构特性决定了一些值适合放在哪些位置，能够有更好的性能和空间效率。

(1)栈，主要是存储局部变量，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间。

优点：用完即出，也很好出，性能很好 缺点：无法存储大小未知或者可能变化的数据。

(2)堆，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上。

优点：空间大，能够存储大小未知或者可能变化的数据。缺点：数据组织较为复杂，需要回收内存空间。

2、Rust所有权是什么

先来介绍所有权的几个概念

Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者，且有且仅有一个所有者。

当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)

特别地，为了便于理解，我认为基本数据类型的值**，比如i32、boolean等基本类型，有别的机制处理这种基本类型的所有权问题：会直接拷贝栈上数据，新生成一个值，把新值的所有权给新变量，不会把旧值的所有权给新变量(新拥有者)，没有发生所有权变化的现象。这种叫做Copy行为。

先说一下字符串类型，注意我说的是字符串类型，对于

let s = "hello";

上面这段代码中的“hello”，可以理解成Java中的字符串字面值，不是存储在堆上的，可以想象成存储在一个文件里的。和字符串类型不是一个东西，对于这种值，可以理解成没有所有权的概念，大家都只是持有一个引用它的指针。

那么什么是字符串类型的数据，比如

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

我们来分析上述代码的

第一行代码 String::from(“hello”);

会在堆中找到一片地址空间，存储字符串类型数据"hello"。并返回该堆中数据的地址、长度、容量等数据，此时堆中的数据就叫做值。

然后在栈中生成一个结构体变量s1，该结构体就是字符串结构，保存了堆中数据的地址、长度、容量等数据。s1变量是堆中数据(值)的拥有者。

第二行代码 let s2 = s1;

这种行为，就是将s1的值的所有权移交给了s2,即堆中数据"hello"此时的拥有者是变量上s2，s1已经没有"hello"的所有权，我们不能再通过s1去访问或者修改堆中数据"hello"。

如果此时想通过s1再次访问堆中数据"hello"，就会报错


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

error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
 --> src/main.rs:6:26
  |
3 |   let s1 = String::from("hello");
  |       -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
4 |   let s2 = s1;
  |            -- value moved here
5 |   
6 |   println!("{}, world!", s1);
  |                          ^^ value borrowed here after move
  |
  = 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

再来说一下这样移交所有权有什么好处。

当变量离开作用域后，Rust 会自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过由于两个 String
变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s1 和 s2 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

可以理解成，所有权移交之后，就可以大胆放心的抛弃先前的拥有者。来个图加深一下印象
请添加图片描述

s1不再指向堆中数据，s2指向堆中数据

3、我就不想移交所有权，我又想生成一个新变量指向相同数据

这里可以用到深拷贝，即在堆中生成一份相同的数据，赋给新变量。如代码


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

但是这么做是有性能消耗的，因为你需要复制一份数据，万一你这个数据非常大，复制起来非常耗时耗资源

而对于栈上变量，直接都是深拷贝，其实不是叫深拷贝，是达到深拷贝的效果，但是Rust叫做Copy

这里可以给出一个通用的规则：任何基本类型的组合可以 Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以 Copy 的。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是 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 是 Copy 的，但 (i32, String) 就不是
不可变引用 &T ，

但可变引用 &mut T 是不可以 Copy的

3、函数传参和返回值，都是会移交所有权的

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 进入作用域

    takes_ownership(s);             // s 的值移动到函数里 ...
                                    // ... 所以到这里不再有效

    let x = 5;                      // x 进入作用域

    makes_copy(x);                  // x 应该移动函数里，
                                    // 但 i32 是 Copy 的，所以在后面可继续使用 x

} // 这里, x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
  // 所以不会有特殊操作

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。占用的内存被释放

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
    println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。不会有特殊操作