Rust的所有权(Ownership)

1. 什么是Ownership

Rust的所有权，是一个跨时代的理念，是内存管理的第二次革命。Ownership是Rust的一个核心概念。

每种编程语言都有自己的一套内存管理的方法。有些需要显式的分配和回收内存（如C），有些语言则依赖于垃圾回收器来回收不使用的内存（如Java）。而Rust不属于以上任何一种，它有一套自己的内存管理规则，叫做Ownership。

Rust中常规数据类型，其数据都是存储在栈中，而像String或一些自定义的复杂数据结构（我们以后会对它们进行详细介绍），其数据则存储在堆内存中。

2. Ownership的规则

Rust的所有权并不难理解，它有且只有如下三条规则：

在Rust中，每一个值都有对应的变量，这个变量称为值的owner
一个值在某一时刻只能有一个owner
当owner超出作用域后，值会被销毁

3. 变量作用域

Ownership的规则中，有一条是owner超过范围后，值会被销毁。那么owner的范围又是如何定义的呢？在Rust中，花括号通常是变量范围作用域的标志。最常见的在一个函数中，变量s的范围从定义开始生效，直到函数结束，变量失效。

fn main() {            // s is not valid here, it’s not yet declaredlet s = "hello";   // s is valid from this point forward// do stuff with s
}                      // this scope is now over, and s is no longer valid

这个这和其他大多数编程语言很像，对于大多数编程语言，都是从变量定义开始，为变量分配内存。而回收内存则是八仙过海各显神通。对于有依赖GC的语言来说，并不需要关心内存的回收。而有些语言则需要显式回收内存。显式回收就会存在一定的问题，比如忘记回收或者重复回收。为了对开发者更加友好，Rust使用自动回收内存的方法，即在变量超出作用域时，回收为该变量分配的内存。

4. Ownership的移动

前面我们提到，花括号通常是变量作用域隔离的标志（即Ownership失效）。除了花括号以外，还有其他的一些情况会使Ownership发生变化，先来看两段代码。

let x = 5;
let y = x;
println!("x: {}", x);

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

这两段代码看起来唯一的区别就是变量的类型，第一段使用的是整数型，第二段使用的是字符串型。而执行结果却是第一段可以正常打印x的值，第二段却报错了。这是什么原因呢？

我们来分析一下代码。对于第一段代码，首先有个整数值5，赋给了变量x，然后把x的值copy了一份，又赋值给了y。最后我们成功打印x。看起来比较符合逻辑。实际上Rust也是这么操作的。

对于第二段代码我们想象中，也可以是这样的过程，但实际上Rust并不是这样做的。先来说原因：对于较大的对象来说，这样的复制是非常浪费空间和时间的。那么Rust中实际情况是怎么样呢？

首先，我们需要了解Rust中String类型的结构：

上图中左侧是String对象的结构，包括指向内容的指针、长度和容量。这里长度和容量相同，我们暂时先不关注。后面详细介绍String类型时会提到两者的区别。这部分内容都存储在栈内存中。右侧部分是字符串的内容，这部分存储在堆内存中。

既然复制内容会造成资源浪费，那我只复制结构这部分好了，内容再多，我复制的内容长度也是可控的，而且也是在栈中复制，和整数类型类似。这个方法听起来不错，我们来分析一下。按照上面这种说法，内存结构大概是这个样子。

这种会有什么问题呢？还记得Ownership的规则吗？owner超出作用域时，回收其数据所占用的内存。在这个例子中，当函数执行结束时，s1和s2同时超出作用域，那么上图中右侧这块内存就会被释放两次。这也会产生不可预知的bug。

Rust为了解决这一问题，在执行let s2 = s1;这句代码时，认为s1已经超出了作用域，即右侧的内容的owner已经变成了s2，也可以说s1的ownership转移给了s2。也就是下图所示的情况。

另一种实现：clone
如果你确实需要深度拷贝，即复制堆内存中的数据。Rust也可以做到，它提供了一个公共方法叫做clone。

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

clone的方法执行后，内存结构如下图：

5. 函数间转移

前面我们聊到的是Ownership在String之间转移，在函数间也是一样的。

fn main() {let s = String::from("hello");  // s 作用域开始takes_ownership(s);             // s's 的值进入函数// ... s在这里已经无效} // s在这之前已经失效
fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 作用域开始println!("{}", some_string);
} // some_string 超出作用域并调用了drop函数// 内存被释放

那有没有办法在执行takes_ownership函数后使s继续生效呢？一般我们会想到在函数中将ownership还回来。然后很自然的就想到我们之前介绍的函数的返回值。既然传参可以转移ownership，那么返回值应该也可以。于是我们可以这样操作：

fn main() {let s1 = String::from("hello");     // s2 comes into scopelet s2 = takes_and_gives_back(s1);  // s1 被转移到函数中// takes_and_gives_back，// 将ownership还给s2
} // s2超出作用域，内存被回收，s1在之前已经失效// takes_and_gives_back 接收一个字符串然后返回一个
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 开始作用域a_string  // a_string 被返回，ownership转移到函数外
}

这样做是可以实现我们的需求，但是有点太麻烦了，幸好Rust也觉得这样很麻烦。它为我们提供了另一种方法：引用（references）。

6. 引用和借用

引用的方法很简单，只需要加一个&符。

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()
}

这种形式可以在没有ownership的情况下访问某个值。其原理如下图：

这个例子和我们在前面写的例子很相似。仔细观察会发现一些端倪。主要有两点不同：

在传入参数的时候，s1前面加了&符。这意味着我们创建了一个s1的引用，它并不是数据的owner，因此在它超出作用域时也不会销毁数据。
函数在接收参数时，变量类型String前也加了&符。这表示参数要接收的是一个字符串的引用对象。
我们把函数中接收引用的参数称为借用。就像实际生活中我写完了作业，可以借给你抄一下，但它不属于你，抄完你还要还给我。

另外还需要注意，我的作业可以借给你抄，但是你不能改我写的作业，我本来写对了你给我改错了，以后我还怎么借给你？所以，在calculate_length中，s是不可以修改的。

7. 可修改引用

如果我发现我写错了，让你帮我改一下怎么办？我授权给你，让你帮忙修改，你也需要表示能帮我修改就可以了。Rust也有办法。还记得我们前面介绍的可变变量和不可变变量吗？引用也是类似，我们可以使用mut关键字使引用可修改。

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

这样，我们就能在函数中对引用的值进行修改了。不过这里还要注意一点，在同一作用域内，对于同一个值，只能有一个可修改的引用。这也是因为Rust不想有并发修改数据的情况出现。

如果需要使用多个可修改引用，我们可以自己创建新的作用域：

let mut s = String::from("hello");{let r1 = &mut s;} // r1 超出作用域let r2 = &mut s;

另一个冲突就是“读写冲突”，即不可变引用和可变引用之间的限制。

let mut s = String::from("hello");let r1 = &s; // no problem
let r2 = &s; // no problem
let r3 = &mut s; // BIG PROBLEMprintln!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

这样的代码在编译时也会报错。这是因为不可变引用不希望在被使用之前，其指向的值被修改。这里只要稍微处理一下就可以了：

let mut s = String::from("hello");let r1 = &s; // no problem
let r2 = &s; // no problem
println!("{} and {}", r1, r2);
// r1 和 r2 不再使用let r3 = &mut s; // no problem
println!("{}", r3);

Rust编译器会在第一个print语句之后判断出r1和r2不会再被使用，此时r3还没有创建，它们的作用域不会有交集。所以这段代码是合法的。

8. 空指针

对于可操作指针的编程语言来讲，最令人头疼的问题也许就是空指针了。通常情况是，在回收内存以后，又使用了指向这块内存的指针。而Rust的编译器帮助我们避免了这个问题（再次感谢Rust编译器）。

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

来看一下上面这个例子。在dangle函数中，返回值是字符串s的引用。但是在函数结束时，s的内存已经被回收了。所以s的引用就成了空指针。此时就会报expected lifetime parameter的编译错误。

参考:
https://cloud.tencent.com/developer/article/1596815
https://www.csdn.net/gather_26/MtTakg4sODE4MTUtYmxvZwO0O0OO0O0O.html
https://doc.rust-lang.org/stable/rust-by-example/scope/move.html