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Rust中变量【引用】与【借用】规则

article 2025/2/6 3:33:57

Rust中变量【引用】与【借用】规则

Rust是一门以内存安全著称的系统编程语言，其独特的所有权系统使得开发者能够在编译时避免常见的内存错误。引用和借用是Rust所有权系统中的核心概念，它们使得在不需要转移所有权的情况下访问数据成为可能。本文将详细介绍Rust中的引用和借用，并通过示例代码帮助读者更好地理解这些概念。

1. 引用和借用的基本概念

在Rust中，引用（Reference）是一种允许你访问数据而不获取其所有权的方式。引用本质上是一个指针，它指向某个值的地址。借用（Borrowing）则是通过引用来访问数据的过程。

示例1：基本引用

fn main() {
    let s1 = String::from("你好，世界！");
    let len = calculate_length(&s1); // 通过引用符号&传递s1
    println!("'{}' 的长度是 {}", s1, len);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

在这个例子中，calculate_length函数接收一个String类型的引用&s1，而不是s1本身。这意味着s1的所有权没有被转移，函数只是借用了s1的值。因此，在函数调用后，s1仍然有效。

2. 可变引用

Rust中的引用默认是不可变的，但你可以通过&mut关键字创建可变引用。可变引用允许你修改所引用的数据。

示例2：可变引用

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

fn change(s: &mut String) {
    s.push_str("，世界！");
}

在这个例子中，change函数接收一个可变引用&mut s，并修改了s的内容。由于s是可变的，我们可以通过可变引用来修改它。

3. 悬垂引用的概念

悬垂引用（Dangling Reference）是指一个指针或引用指向了已经被释放的内存。在C++和Python中，悬垂引用可能导致未定义行为或运行时错误。

C++：C++中悬垂引用是常见的错误来源。例如，当一个函数返回局部变量的引用时，调用者可能会访问到无效的内存。
Python：Python通过垃圾回收机制自动管理内存，减少了悬垂引用的风险，但在某些情况下（如使用ctypes模块）仍可能出现类似问题。

Rust通过编译时的所有权系统彻底避免了悬垂引用。Rust编译器会确保引用始终有效。

示例3：Rust如何避免悬垂引用

fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle();
}

fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("你好");
    &s // 错误：返回局部变量的引用
}

在这里插入图片描述

在这个例子中，dangle函数尝试返回一个局部变量s的引用。Rust编译器会报错，提示你返回了一个悬垂引用。为了避免这个问题，你可以直接返回s，而不是它的引用。

4. Rust中引用的规则

Rust中的引用遵循以下规则：

任意时刻，要么只能有一个可变引用，要么只能有多个不可变引用。
引用必须始终有效。

这些规则确保了内存安全，避免了数据竞争和悬垂引用。

示例4：引用规则

fn main() {
    let mut s = String::from("你好");

    let r1 = &s; // 不可变引用
    let r2 = &s; // 另一个不可变引用
    println!("{} 和 {}", r1, r2);

    let r3 = &mut s; // 可变引用
    r3.push_str("，世界！");
    println!("{}", r3);
    // println!("{}{} " ,r1,r2); // 编译错误,因为r1是不可变引用，在r3之后，r1和r2就失效了。
}

在这个例子中，我们首先创建了两个不可变引用r1和r2，然后创建了一个可变引用r3。Rust的规则确保了在r3存在时，r1和r2不能再被使用，从而避免了数据竞争。

如果取掉倒数第二行的注释，会有以下报错

综合示例

下面是一个综合性的例子，展示了引用、可变引用以及引用规则的应用：

fn main() {
    let mut s = String::from("你好");

    // 不可变引用
    let len = calculate_length(&s);
    println!("'{}' 的长度是 {}", s, len);

    // 可变引用
    modify_string(&mut s);
    println!("修改后的字符串: {}", s);

    // 多个不可变引用
    let r1 = &s;
    let r2 = &s;
    println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);

    // 可变引用
    let r3 = &mut s;
    r3.push_str("，欢迎来到Rust世界！");//这里r1、r2就失效了，如果在这之后再次使用r1、r2程序就会报错
    println!("r3: {}", r3);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

fn modify_string(s: &mut String) {
    s.push_str("，世界！");
}