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【Rust自学】4.2. 所有权规则、内存与分配

article 2024/12/22 10:13:29

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。

本章有三小节：

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

说句题外话，这一篇文章是截止目前为止笔者所写的最长的文章，花了我整整一个下午，看在我这么努力的份上，能点赞收藏加关注吗？谢谢喵，我用营业式的表情说道。
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4.2.1. 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
当所有者超出作用域（scope）后，这个值将会被删除

4.2.2. 变量作用域

作用域（scope）就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。

这个例子就涉及两个重点：

machine在进入作用域后就变得有效了
machine会保持自己的有效性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类型就满足需求。

String类型比那些标量类型更复杂：之前的基础数据类型它们的数据都是存放在栈内存上的，它们在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类型主要是讲与所有权相关的部分，如果想要深入了解String类型本身就得等到后面了

字符串字面值（&'static str类型）是代码里手写的那些字符串值。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时确定（比如要获取输入）

对于这些情况，Rust提供了第二种字符串类型String。String类型能在堆上分配，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类型，例如：

let machine = String::from("6657");

::表示from是String类型下的函数。可以理解为其他语言中的静态方法

这样声明的String类型就是可以修改的，例如：

fn main(){
	let mut machine = String::from("6657");
	machine.push_str(" up up!");
	println!("{}", machine);
}

let后加上mut关键字代表这个变量machine是可以修改的
.push_str()是这个变量上的一个方法，来向这个值的后边添加一个字符串字面值，示例中就是" up up!"

其输出效果为:

6657 up up!

为什么String类型是可以修改的，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，因为它是写在源代码中的，所以在编译时就知道它的内容。其文本内容直接被硬编码到最终的可执行文件。它速度快、高效是得益于它的不可变性。

String类型为了支持可变形，需要在堆内存上分配内存老保存编译时未知的文本内容。这使得操作系统必须在运行时来请求内存（这步通过调用String::from来实现）。

当用完String之后，需要使用某种方式将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，并调用代码将它返回。
- 如果忘了，那就浪费内存
- 如果提前做了，那变量就会变为非法
- 如果做了两次，那就会出现非常严重的Bug——二次释放(Double free)，这可能导致某些正在使用的数据发生损坏，产生潜在的安全隐患。必须一次分配对应一次释放。
Rust采用了不同的机制：对于某个值来说，当拥有它的变量走出作用范围时，Rust会调用一个特殊的函数——drop函数，内存会立即自动交还给操作系统，也就是内存会立即释放。

4.2.6. 变量与数据的交互方式

1.移动(Move)

多个变量可以与同一个数据使用一种独特的方式来交互。

let x = 5;
let y = x;

在这个例子中，5被绑定到x这个变量上边；在下一行相当于创建了x的副本，把x的副本绑定到y上。由于整数是已知且固定大小的简单的值，所以这两个5被压到了栈内存中。

但如果情况更加复杂，比如说是String类型时，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String类型的值叫machine。然后第二行把machine绑到wjq上。

虽然代码很相似，但两者的运行方式是完全不一样的。

首先我们得了解，一个String类型由三个部分组成（如下图所示）：
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一个指向存放字符串内容的内存的指针（pointer）
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中，长度(len)就是存放字符串内容所需的字节数，容量(capacity)是指String从操作系统总共获得内存的总字节数。

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。
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当变量离开作用域时，Rust会自动调用drop函数，并将变量使用的堆内存释放，这是上文就说过的事，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，引发非常严重的bug，也就是二次释放(Double free)，其危害在上文就有解释，这里不做阐述。

为了保证内存安全，Rust会直接弃用第一个变量machine使其失效，把值移动到wjq上。当machine离开作用域时，Rust不需要释放任何有关变量machine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被弃用后还调用它就会报错（代码和运行效果如下）：
代码：

fn main(){
	let machine = String::from("Niko");
	let wjq = machine;
	println!("{}", machine);
}

运行效果：

error[E0382]: borrow of moved value: 'machine'

学习过其他语言的人可能接触过浅拷贝(shallow copy)和深拷贝(deep copy)。有些人会把这种复制指针、长度和容量视为浅拷贝，但由于Rust让machine失效了，所以这里使用新的术语: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，就运行时的性能而言，任何自动赋值的操作都是廉价的。

2. 克隆(Clone)

如果真想对堆内存上的String数据进行深度拷贝，而不仅仅是栈内存上的数据，那么可以使用clone方法。

let machine = String::from("Niko");
let wjq = machine.clone();

通过这种方法，无论是栈内存还是堆内存都被完整的复制了一份
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但是克隆这种操作是比较消耗资源的,所以要谨慎使用。

3. Stack上的数据：复制

对于Stack上的数据，克隆是不需要的，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，而不是对所有权的转移。

对于实现了Copy trait的类型，创建一个新的变量（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方法与直接赋值没有任何区别，因为这两者的拷贝行为本质相同。

如果一个类型实现了Copy trait，那么旧的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：