【Rust】引用与借用

思维导图

1. 引用与借用的基本概念

1.1. 引用示例

2. 借用的规则

2.1. 可变借用示例

2.2. 借用的限制

3. 引用的生命周期

思维导图

1. 引用与借用的基本概念

引用的定义：引用是一种指向数据的指针，但与裸指针不同，Rust的引用在编译时受到严格的规则约束，确保其始终指向有效的内存区域。引用分为不可变引用（&T）和可变引用（&mut T）。
借用的意义：借用是指在不获取数据所有权的情况下，通过引用访问或修改数据的过程。借用机制允许在多个上下文中共享数据，同时避免数据竞争和内存安全问题。

1.1. 引用示例

示例1：计算字符串长度

fn main() {
    let text = String::from("hello");
    let length = calculate_string_length(&text); // 传递不可变引用
    println!("The length of '{}' is {}.", text, length);
}

// 计算字符串长度的函数
fn calculate_string_length(s: &String) -> usize {
    s.len() // 通过引用访问数据
}

在这个示例中，calculate_string_length函数接受一个字符串的引用&text，而不是直接获取String的所有权。这允许main函数在调用后继续使用text。

2. 借用的规则

不可变借用：当一个值被不可变引用借用时，该值在借用期间不能被修改。允许多个不可变引用同时存在，确保数据的一致性。
可变借用：若要修改借用的值，必须使用可变引用&mut。Rust强制要求在同一时间只能有一个可变引用，或者多个不可变引用，但两者不能共存。这一规则防止了数据竞争的发生。

2.1. 可变借用示例

示例2：修改借用的字符串

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    append_text(&mut s); // 传递可变引用
    println!("{}", s); // 输出修改后的字符串
}

// 修改字符串的函数
fn append_text(s: &mut String) {
    s.push_str(", world"); // 通过可变引用修改数据
}

在这个示例中，s被声明为可变，并通过&mut s传递给append_text函数，允许对s进行修改。

2.2. 借用的限制

多个可变引用的限制：Rust禁止在同一作用域内同时存在多个可变引用，以防止数据竞争（data races)。数据竞争可能导致未定义行为，因此Rust在编译时严格检查此类问题。
可变与不可变引用的限制：当同一个值有一个不可变引用时，便不能再拥有一个可变引用。

示例3：多个可变引用的错误

fn main() {
    let mut message = String::from("hello");

    let first_ref = &mut message; // 第一个可变引用
    // let second_ref = &mut message; // 取消注释会导致编译错误

    println!("First reference: {}", first_ref);
    // println!("Second reference: {}", second_ref); // 无法同时使用两个可变引用
}

此代码尝试同时创建两个可变引用，导致编译错误。

3. 悬空引用

Rust通过生命周期（lifetime）机制确保引用在使用期间始终指向有效的内存区域，避免了悬空引用的问题。生命周期是Rust编译器在编译时进行静态检查的重要工具。

示例4：悬空引用的错误

fn main() {
    // let dangling_ref = create_dangling_reference(); // 取消注释会导致编译错误
    // println!("{}", dangling_ref); // 无法使用悬空引用
}

// 尝试返回局部变量引用的函数
fn create_dangling_reference() -> &String {
    let s = String::from("hello");
    &s // 编译错误：返回局部变量的引用
}