【Rust自学】4.2. 所有权规则、内存与分配

4.2 所有权规则、内存与分配4.2.0 写在正文之前在学习了 Rust 的通用编程概念后就来到了整个 Rust 的重中之重——所有权。它跟其他语言都不太一样很多初学者觉得学起来很难。这个章节就旨在让初学者能够完全掌握这个特性。本章有五小节- 所有权栈内存 vs. 堆内存-所有权规则、内存与分配本文- 所有权与函数- 引用与借用- 切片Slice4.2.1 所有权规则所有权有三条规则- 每个值都有一个变量这个变量是该值的所有者- 每个值同时只能有一个所有者- 当所有者离开作用域后这个值将被删除4.2.2 变量作用域作用域是程序中一个项目的有效范围。fn main(){ // machine 不可用 let machine 6657; // machine 可用 // 可以对 machine 进行操作 } // machine 的作用域到此结束machine 不再可用在示例代码第三行声明了变量machine而在第二行还没有声明变量所以在第二行它是不可用的。在第三行由于进行了声明所以它可用了。而在第四行就可以对machine进行相关操作了。在第五行machine的作用域就结束了从第五行及以后machine就不再可用了。这个例子涉及两个重点-machine在进入作用域后就变得有效了-machine会保持有效直到离开作用域为止这两点和其他语言都类似所以就不多说了。4.2.3 String 类型为了演示所有权的一些相关规则需要一个稍微复杂一点的数据类型String就满足需求。String类型比那些标量类型更复杂之前提到的基础数据类型它们的数据都存放在栈内存上离开作用域时数据就会弹出栈而String类型是存储在堆内存上的。这章讲String主要是讲与所有权相关的部分。如果想要深入了解String本身就得等到后面的章节。字符串字面值static str是代码里直接写出的那些字符串值。但是它不能满足所有的需求。一是因为它们是不可变的二是因为不是所有的字符串值都能在编写程序时确定比如用户输入。对于这些情况Rust 提供了第二种字符串类型String。String能在堆上分配它能够存储在编译时未知大小的文本。4.2.4 创建String类型的值使用from函数从字符串字面值创建出String例如let machine String::from(6657);::表示from是String下的函数。可以把它理解为其他语言中的静态方法。这样声明的String是可以修改的例如fn main(){ let mut machine String::from(6657); machine.push_str( up up!); println!({}, machine); }在let后加上mut表示变量machine可以修改.push_str()是这个变量上的一个方法用来向值的末尾追加一个字符串字面值示例中就是 up up!其输出为6657 up up!为什么String是可以修改的而static str字符串字面值不能-String是一个堆分配的可变字符串类型可以动态增长或缩小其内容。- 字符串字面值是static str类型存储在程序的静态内存中只读区域。4.2.5 内存和分配对于字符串字面值因为它写在源代码中所以在编译时就知道它的内容。其文本内容被直接硬编码到最终的可执行文件中。它速度快、高效得益于它的不可变性。为了支持可变性String需要在堆内存上分配内存来保存编译时未知大小的文本。这要求在运行时向操作系统请求内存这一步通过String::from完成。用完String之后需要某种方式把内存返回给操作系统- 在有 GC垃圾回收器的语言中比如 C#GC 会跟踪并清理不再使用的内存在没有 GC 的语言中比如 C/C就需要程序员去识别内存何时不再使用并编写代码将它返回如果忘了就会浪费内存如果提前做了变量就会变为非法如果做了两次就会出现非常严重的 Bug——二次释放double free。这可能导致某些仍在使用的数据发生损坏并带来潜在的安全隐患。一次分配必须对应一次释放。Rust 采用了不同的机制对于某个值来说当拥有它的变量离开作用域时Rust 会调用一个特殊的函数——drop 函数内存会立即交还给操作系统也就是立即释放。4.2.6 变量与数据的交互方式1. 移动Move多个变量可以用一种独特的方式与同一份数据交互。let x 5; let y x;在这个例子中5 被绑定到变量x上下一行相当于创建了x的副本并把这个副本绑定到y上。由于整数是已知且固定大小的简单值这两个 5 被压到了栈内存中。但如果情况更加复杂比如说是String类型情况又会有所不同。let machine String::from(Niko); let wjq machine;在这个例子中第一行通过String下的from函数从字符串字面值得到一个名为machine的String值。然后第二行把machine绑定到wjq上。虽然代码看起来很相似但两者的运行方式完全不同。首先我们得了解一个String由三个部分组成如下图所示一个指向存放字符串内容的内存的指针一个长度一个容量这部分数据被压到了栈内存中而存放字符串内容的部分在堆内存上。长度len是存放字符串内容所需的字节数容量capacity是String从操作系统总共获得的内存总字节数。当把machine的值赋给wjq时是把栈内存上的数据复制给了wjq而并没有复制指针所指向的堆内存上的数据。当变量离开作用域时Rust 会自动调用drop函数并释放该变量使用的堆内存。这是上文说过的。但当machine和wjq同时离开作用域时它们都会尝试释放相同的内存从而引发非常严重的 bug——二次释放double free。其危害上文已经解释过这里不再赘述。为了保证内存安全Rust 会直接让第一个变量machine失效并把值移动到wjq上。当machine离开作用域时Rust 不需要释放任何与machine相关的内存当然wjq还是要释放的因为它是有效的因为machine已经失效。如果在machine失效后还尝试使用它就会报错代码和结果如下代码fn main(){ let machine String::from(Niko); let wjq machine; println!({}, machine); }结果error[E0382]: borrow of moved value: machine -- src/main.rs:4:17 | 2 | let machine String::from(Niko); | ------- move occurs because machine has type String, which does not implement the Copy trait 3 | let wjq machine; | ------- value moved here 4 | println!({}, machine); | ^^^^^^^ value borrowed here after move | help: consider cloning the value if the performance cost is acceptable | 3 | let wjq machine.clone(); | For more information about this error, try rustc --explain E0382. error: could not compile ownership-move (bin ownership-move) due to 1 previous error学过其他语言的人可能接触过浅拷贝和深拷贝。有些人会把复制指针、长度和容量视为浅拷贝但由于 Rust 让machine失效了所以这里使用一个新术语移动move。这里隐藏了一个设计原则Rust 不会自动创建数据的深拷贝。也就是说就运行时性能而言任何自动赋值操作都是廉价的。2. 克隆Clone如果真想对堆内存上的String数据进行深拷贝而不仅仅是栈内存上的数据可以使用clone方法。let machine String::from(Niko); let wjq machine.clone();通过这种方法栈内存和堆内存上的数据都会被完整复制一份。不过克隆比较消耗资源所以要谨慎使用。3. 栈上的数据复制对于栈上的数据不需要克隆复制就可以。let x 5; let y x; println!({},{}, x, y)在这个例子中x和y都是有效的因为x是整数类型。整数类型是 Rust 中的基本类型如i32、u32等。它们的大小在编译时就已经确定并且它们的值完全存储在栈内存中。由于这些类型实现了Copy trait可以把 trait 简单理解为接口赋值操作实际上是对值的直接拷贝而不是所有权的转移。对于实现了 Copy trait 的类型创建一个新变量如y时会发生位拷贝操作这种拷贝非常高效。同时原变量如x仍然保持有效。因此在这种情况下调用clone与直接赋值没有任何区别因为两者的拷贝行为本质相同。如果一个类型实现了 Copy trait那么旧变量在赋值之后仍然可用。如果一个类型或者该类型的一部分实现了Drop trait那么 Rust 就不会允许它实现 Copy trait。一些拥有 Copy trait 的类型- 任何仅由简单标量值组成的复合类型都可以实现 Copy trait- 任何需要分配内存或某种其他资源的都不能实现 Copy trait对于元组如果其中所有元素都能实现 Copy trait那么这个元组也可以如果其中哪怕有一个不能实现 Copy trait那整个元组就不能。-(i32, u32)可以实现 Copy trait-(i32, String)不能实现 Copy trait因为String不能实现 Copy trait