Rust 探索（四）—— 所有权（一）

在Rust当中，有一个非常独特的存在——所有权机制

Rust没有如同Java、Python等语言的垃圾回收机制，也不同于C/C++的纯手动内存操作，而是引入了所有权的概念以及相应的工具支持，来保证内存的安全可靠

1. 初识所有权

内存是计算机内一种有限的资源，因此如果想要编写的程序能够持续高效地在计算机上运行，那么对于内存的管理是不可或缺的

编程语言发展至今，主要有三种有代表性的内存管理方式：其一，是C/C++采用的成对的malloc和free或者new和delete，通过这些接口直接操作系统内存的申请和释放，这样做的时候，你有最高的权限，但是每一步也会变得尤为关键，全都要开发者自己管理，那么效率必然是低的；其二，便是以Java、Python为代表的垃圾回收机制对于内存的管理，除了程序的业务线程外，还会有一个垃圾回收线程的存在，根据既定的垃圾回收策略自动地回收内存，在牺牲少量效率的情况下，更好地保证了开发者的开发效率；其三，便是接下来要谈到的Rust独创的所有权机制了，它通过制定所有权的规则来进行约束和检查

栈与堆：在栈中存储的数据都必须拥有一个已知且固定的大小，如果在编译期无法确定大小，那么就只好将它们存在堆中

堆分配：请求特定大小的空间，操作系统根据请求找到足够大的空间，标记为已使用，并将指向这片空间地址的指针返回，指针的大小是固定的，可在编译期确定，就将指针存在栈中

栈上访问更有效率，省去了搜索存储位置的工作，只需在栈顶放入新数据；并且，堆在分配足够大的空间之后还需进行记录工作协调后续的操作

2. 所有权规则

  • Rust中的每个值都有一个对应的变量作为它的所有者
  • 在同一时间内，值有且仅有一个所有者
  • 当所有者离开自己的作用域时，它持有的值就会被释放掉

3. 变量作用域

变量的作用域指的就是一个对象在程序中有效的范围

1
2
3
4
5
fn main() {
    // 未声明，不可用
    let name = "高启强";    // 声明，可用
    // 可进行使用
}   // 超出作用域，不可用

从变量声明到所处代码块结束，这段区间内便是变量有效的区间

4. String类型

String类型对应的数据存储在堆上

字符串字面量是不可变的，由于字符串的值有可能在编译期并不能够确定下来，因此有了String类型，它能够在堆上分配自己需要的存储空间

1
2
// 创建一个String的实例
let str = String::from("风浪越大，鱼越贵");

使用::调用String命名空间下的from()函数

image-20230311235556862

可以看到注释，这个函数用于将字面量转换为String，并且将结果分配到堆上

1
2
3
let mut str = String::from("风浪越大，鱼越贵");   // 声明为可变
str.push_str("!");   // 可变的基础上添加内容
println!("{}", str);

String可以借助mut被声明为可变字符串，然后调用push_str()函数添加一个感叹号，实现字符串的拼接

字符串String是可变的，而字符串字面量不是，这是由于此二者采用了不同的内存处理方式

5. 内存与分配

字符串字面量我们能够在编译时就确定其内容，因而这部分硬编码的文本直接嵌入最终的可执行文件，这样访问字符串字面量会非常高效，这是由于字符串字面量的不变性

对String类型来说，需要在运行时申请一块内存，这里通过String::from()的调用发起这个请求

而在使用完之后，需要以某种形式将这些内存归还给操作系统，这个对于不同的编程语言有着不同的解决方式，比如Java、Python等采用的是垃圾回收机制，通过一个垃圾回收程序识别不再被使用的内存空间，将它们及时释放，此过程不需要开发人员参与，而C/C++则是由开发者进行手动处理，那么这就需要开发者把握恰当的时机，避免发生难以预测的问题

先前也提到过，Rust有一套不同的方案：Rust会在变量离开作用域后释放其持有的内存

1
2
3
4
5
fn main() {
    // 创建一个String的实例
    let str = String::from("风浪越大，鱼越贵");   // str有效
    // 可以进行后续操作
}   // 作用域结束，变量str失效

在作用域结束的地方，String类型会自动调用一个名叫drop()的特殊函数

5.1. 移动

1
2
let a = 2;   // a -> 2
let b = a;   // b -> a

在以上的代码中，2绑定到变量a上，这个2明显是个i32类型，因而大小是确定的，所以会再创建一个变量a的拷贝，绑定到b上，这样a和b的值都是2，这两个变量都被压入栈中

然后，再将变量类型改为String类型

1
2
let str1 = String::from("hello");
let str2 = str1;

与i32类型的看上去好像没什么不同，也许也是str2作为str1的拷贝？但是其实事实并非如此

image-20230416225006258

简单表示一下String的内存布局，主要是由3个部分组成：指针（ptr）、长度（len）、容量（capacity），并且这些数据都存储在栈当中

右侧则是表示的存储的字符串的内容，体现了二者之间的绑定关系

len用来记录当前String中使用了多少字节内存，可以看到是5；capacity用来记录String向操作系统总共获取到的内存字节数量，也是5，尽管此时二者的值相等，但是是有区别的

将str1赋值给str2的时候，的确是发生了复制，但是复制的内容是栈里的，因而存储在栈当中的指针、长度、容量字段会在栈上再存在一份（这份便是str2）所对应的

image-20230416230036998

此时，str1和str2中的指针均指向一块堆内存，这与深拷贝的结果是不一样的

如果是深拷贝，则会连同指向的内容一并拷贝一份

image-20230416230422066

但是，如果是深拷贝，在数据足够大时，这种大篇幅的复制会带来很大的性能损耗

现在由于str1和str2两个变量同时指向一块区域，如果其中任意一方离开作用域时，Rust会自动去调用drop()释放内存，而后者再离开作用域时，将会释放一块已被释放的内存，这便引发了二次释放问题，这将会导致正在使用的数据发生问题，进而埋下安全隐患

那么Rust对于解决这样的问题的手段很彻底，那就是保留一份

在let str2 = str1执行后，str1自动废弃，也就不再被程序作为一个有效的变量，自然也不需要对其清理

image-20230416231454410

在这之后继续使用str1将会编译报错

浅拷贝和深拷贝：

其实，这里的情况与浅拷贝有所区别，栈上内容复制的同时，Rust又将前者无效化，因而新增了移动的概念，有点类似于str2是str1的接班人；而深拷贝便是将栈上与堆上的数据一并复制的概念

image-20230416233344579

Rust永远不会自动地创建数据的深拷贝，因此，任何自动地赋值操作都将是高效的

5.2. 克隆

如果说一定需要进行深度拷贝，而不是仅仅复制栈上的数据，那么可以使用一个clone()方法

1
2
3
4
let str1 = String::from("hello");
let str2 = str1.clone();   // str1的深拷贝
println!("{}", str1);
println!("{}", str2);

通过调用clone()，str2把str1栈上和堆上的数据都拷贝了一份，而这可能会相当耗资源

但是对于那些在编译时就已经确定了大小的类型，无论是普通赋值（栈拷贝）或是clone都没有本质上的区别，总是高效的