Rust入门系列：09、万字长文，一次性讲明白Rust中的所有权

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所有权

所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成了重中之重，也是所有编程语言设计的难点之一。在计算机语言不断演变过程中，出现了三种流派：

• 垃圾回收机制(GC) ，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：Java、Go
• 手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++
• 通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查

其中 Rust 选择了第三种，最妙的是，这种检查只发生在编译期，因此对于程序运行期，不会有任何性能上的损失。

由于所有权是一个新概念，因此读者需要花费一些时间来掌握它，一旦掌握，海阔天空任你飞跃，在本小节，我们将通过 字符串 来引导讲解所有权的相关知识。

一段不安全的代码

先来看看一段来自 C 语言的糟糕代码：

int* foo() {
    int a;          // 变量a的作用域开始
    a = 100;
    char *c = "xyz";   // 变量c的作用域开始
    return &a;
}                   // 变量a和c的作用域结束

这段代码虽然可以编译通过，但是其实非常糟糕，变量 a 和 c 都是局部变量，函数结束后将局部变量 a 的地址返回，但局部变量 a 存在栈中，在离开作用域后，a 所申请的栈上内存都会被系统回收，从而造成了 悬空指针(Dangling Pointer) 的问题。这是一个非常典型的内存安全问题，虽然编译可以通过，但是运行的时候会出现错误, 很多编程语言都存在。

再来看变量 c，c 的值是常量字符串，存储于常量区，可能这个函数我们只调用了一次，也可能我们不再会使用这个字符串，但 "xyz" 只有当整个程序结束后系统才能回收这片内存。

所以内存安全问题，一直都是程序员非常头疼的问题，好在, 在 Rust 中这些问题即将成为历史，因为 Rust 在编译的时候就可以帮助我们发现内存不安全的问题，那 Rust 如何做到这一点呢？

在正式进入主题前，先来一个预热知识。

栈(Stack)与堆(Heap)

栈和堆是编程语言最核心的数据结构，但是在很多语言中，你并不需要深入了解栈与堆。 但对于 Rust 这样的系统编程语言，值是位于栈上还是堆上非常重要, 因为这会影响程序的行为和性能。

栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。

栈

栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值，这也被称作后进先出。想象一下一叠盘子：当增加更多盘子时，把它们放在盘子堆的顶部，当需要盘子时，再从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子！

增加数据叫做进栈，移出数据则叫做出栈。

因为上述的实现方式，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间，假设数据大小是未知的，那么在取出数据时，你将无法取到你想要的数据。

堆

与栈不同，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上。

当向堆上放入数据时，需要请求一定大小的内存空间。操作系统在堆的某处找到一块足够大的空位，把它标记为已使用，并返回一个表示该位置地址的指针, 该过程被称为在堆上分配内存，有时简称为 “分配”(allocating)。

接着，该指针会被推入栈中，因为指针的大小是已知且固定的，在后续使用过程中，你将通过栈中的指针，来获取数据在堆上的实际内存位置，进而访问该数据。

由上可知，堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭: 进入餐馆，告知服务员有几个人，然后服务员找到一个够大的空桌子（堆上分配的内存空间）并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过桌号（栈上的指针）来找到你们坐在哪。

性能区别

在栈上分配内存比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需进行函数调用（或更慢的系统调用）来分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备，如果当前进程分配的内存页不足时，还需要进行系统调用来申请更多内存。 因此，处理器在栈上分配数据会比在堆上分配数据更加高效。

所有权与堆栈

当你的代码调用一个函数时，传递给函数的参数（包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量）依次被压入栈中，当函数调用结束时，这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。

因为堆上的数据缺乏组织，因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的，否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。

对于其他很多编程语言，你确实无需理解堆栈的原理，但是在 Rust 中，明白堆栈的原理，对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助。

所有权原则

理解了堆栈，接下来看一下关于所有权的规则，首先请谨记以下规则：

• 1. Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者
• 2. 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者
• 3. 当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)

变量的作用域

作用域是一个变量在程序中有效的范围, 假如有这样一个变量：

let s = "hello";

变量 s 绑定到了一个字符串字面值，该字符串字面值是硬编码到程序代码中的。s 变量从声明的点开始直到当前作用域的结束都是有效的：

{                      // s 在这里无效，它尚未声明
    let s = "hello";   // 从此处起，s 是有效的

    // 使用 s
}                      // 此作用域已结束，s不再有效

简而言之，s 从创建开始就有效，然后有效期持续到它离开作用域为止，可以看出，就作用域来说，Rust 语言跟其他编程语言没有区别。

简单介绍String类型

之前提到过，本节会用 String 作为例子，因此这里会进行一下简单的介绍。

我们已经见过字符串字面值 let s = "hello"，s 是被硬编码进程序里的字符串值（类型为 &str ）。字符串字面值是很方便的，但是它并不适用于所有场景。原因有二：

• 字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中
• 并非所有字符串的值都能在编写代码时得知

例如，字符串是需要程序运行时，通过用户动态输入然后存储在内存中的，这种情况，字符串字面值就完全无用武之地。 为此，Rust 为我们提供动态字符串类型: String, 该类型被分配到堆上，因此可以动态伸缩，也就能存储在编译时大小未知的文本。

可以使用下面的方法基于字符串字面量来创建 String 类型：

let s = String::from("hello");

:: 是一种调用操作符，这里表示调用 String 模块中的 from 方法，由于 String 类型存储在堆上，因此它是动态的，你可以这样修改：

let mut s = String::from("hello");

s.push_str(", world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值

println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`

言归正传，了解 String 后，一起来看看关于所有权的交互。

变量绑定背后的数据交互

转移所有权

先看一段代码

let x = 5;
let y = x;

这段代码并没有发生所有权的转移，原因很简单： 代码首先将 5 绑定到变量 x，接着拷贝 x 的值赋给 y，最终 x 和 y 都等于 5，因为整数是 Rust 基本数据类型，是固定大小的简单值，因此这两个值都是通过自动拷贝的方式来赋值的，都被存在栈中，完全无需在堆上分配内存。

整个过程中的赋值都是通过值拷贝的方式完成(发生在栈中)，因此并不需要所有权转移。

可能有同学会有疑问：这种拷贝不消耗性能吗？实际上，这种栈上的数据足够简单，而且拷贝非常非常快，只需要复制一个整数大小（i32，4 个字节）的内存即可，因此在这种情况下，拷贝的速度远比在堆上创建内存来得快的多。实际上，之前的小节我们讲到的 Rust 基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的，就像上面代码一样。

然后再来看一段代码：

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;

此时，可能某个大聪明( 善意昵称 )已经想到了：嗯，上面一样，把 s1 的内容拷贝一份赋值给 s2，实际上，并不是这样。之前也提到了，对于基本类型（存储在栈上），Rust 会自动拷贝，但是 String 不是基本类型，而且是存储在堆上的，因此不能自动拷贝。

实际上， String 类型是一个复杂类型，由存储在栈中的堆指针、字符串长度、字符串容量共同组成，其中堆指针是最重要的，它指向了真实存储字符串内容的堆内存，至于长度和容量，如果你有 Go 语言的经验，这里就很好理解：容量是堆内存分配空间的大小，长度是目前已经使用的大小。

总之 String 类型指向了一个堆上的空间，这里存储着它的真实数据，下面对上面代码中的 let s2 = s1 分成两种情况讨论：

• 1. 拷贝 String 和存储在堆上的字节数组 如果该语句是拷贝所有数据(深拷贝)，那么无论是 String 本身还是底层的堆上数据，都会被全部拷贝，这对于性能而言会造成非常大的影响
• 2. 只拷贝 String 本身 这样的拷贝非常快，因为在 64 位机器上就拷贝了 8字节的指针、8字节的长度、8字节的容量，总计 24 字节，但是带来了新的问题，还记得我们之前提到的所有权规则吧？其中有一条就是：一个值只允许有一个所有者，而现在这个值（堆上的真实字符串数据）有了两个所有者：s1 和 s2。

好吧，就假定一个值可以拥有两个所有者，会发生什么呢？

当变量离开作用域后，Rust 会自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过由于两个 String 变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s1 和 s2 离开作用域，它们都会尝试释放相同的内存。这是一个叫做 二次释放（double free）  的错误，也是之前提到过的内存安全性 BUG 之一。两次释放（相同）内存会导致内存污染，它可能会导致潜在的安全漏洞。

因此，Rust 这样解决问题：当 s1 被赋予 s2 后，Rust 认为 s1 不再有效，因此也无需在 s1 离开作用域后 drop 任何东西，这就是把所有权从 s1 转移给了 s2，s1 在被赋予 s2 后就马上失效了。

再来看看，在所有权转移后再来使用旧的所有者，会发生什么：

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

由于 Rust 禁止你使用无效的引用，你会看到以下的错误：

error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
 --> src/main.rs:5:28
  |
2 |     let s1 = String::from("hello");
  |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
3 |     let s2 = s1;
  |              -- value moved here
4 |
5 |     println!("{}, world!", s1);
  |                            ^^ value borrowed here after move
  |
  = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider cloning the value if the performance cost is acceptable
  |
3 |     let s2 = s1.clone();
  |                ++++++++

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.

现在再回头看看之前的规则，相信大家已经有了更深刻的理解：

• 1. Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者
• 2. 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者
• 3. 当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)

如果你在其他语言中听说过术语 浅拷贝(shallow copy)  和 深拷贝(deep copy) ，那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据听起来就像浅拷贝，但是又因为 Rust 同时使第一个变量 s1 无效了，因此这个操作被称为 移动(move) ，而不是浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被移动到了 s2 中。那么具体发生了什么，用一张图简单说明：

这样就解决了我们之前的问题，s1 不再指向任何数据，只有 s2 是有效的，当 s2 离开作用域，它就会释放内存。 相信此刻，你应该明白了，为什么 Rust 称呼 let a = b 为变量绑定了吧？

再来看一段代码:

fn main() {
    let x: &str = "hello, world";
    let y = x;
    println!("{},{}",x,y);
}

这段代码，大家觉得会否报错？如果参考之前的 String 所有权转移的例子，那这段代码也应该报错才是，但是实际上呢？

这段代码和之前的 String 有一个本质上的区别：在 String 的例子中 s1 持有了通过String::from("hello") 创建的值的所有权，而这个例子中，x 只是引用了存储在二进制中的字符串 "hello, world"，并没有持有所有权。

因此 let y = x 中，仅仅是对该引用进行了拷贝，此时 y 和 x 都引用了同一个字符串。

克隆（深拷贝）

首先，Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝” 。因此，任何自动的复制都不是深拷贝，可以被认为对运行时性能影响较小。

如果我们确实需要深度复制 String 中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做 clone 的方法。

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();

println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);

这段代码能够正常运行，说明 s2 确实完整的复制了 s1 的数据。

如果代码性能无关紧要，例如初始化程序时或者在某段时间只会执行寥寥数次时，你可以使用 clone 来简化编程。但是对于执行较为频繁的代码(热点路径)，使用 clone 会极大的降低程序性能，需要小心使用！

拷贝（浅拷贝）

浅拷贝只发生在栈上，因此性能很高，在日常编程中，浅拷贝无处不在。

再回到之前看过的例子:

let x = 5;
let y = x;

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

但这段代码似乎与我们刚刚学到的内容相矛盾：没有调用 clone，不过依然实现了类似深拷贝的效果 —— 没有报所有权的错误。

原因是像整型这样的基本类型在编译时是已知大小的，会被存储在栈上，所以拷贝其实际的值是快速的。这意味着没有理由在创建变量 y 后使 x 无效（x、y 都仍然有效）。换句话说，这里没有深浅拷贝的区别，因此这里调用 clone 并不会与通常的浅拷贝有什么不同，我们可以不用管它（可以理解成在栈上做了深拷贝）。

Rust 有一个叫做 Copy 的特征，可以用在类似整型这样在栈中存储的类型。如果一个类型拥有 Copy 特征，一个旧的变量在被赋值给其他变量后仍然可用，也就是赋值的过程即是拷贝的过程。

那么什么类型是可 Copy 的呢？可以查看给定类型的文档来确认，这里可以给出一个通用的规则： 任何基本类型的组合可以 Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以 Copy 的。如下是一些 Copy 的类型：

• 所有整数类型，比如 u32
• 布尔类型，bool，它的值是 true 和 false
• 所有浮点数类型，比如 f64
• 字符类型，char
• 元组，当且仅当其包含的类型也都是 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 是 Copy 的，但 (i32, String) 就不是
• 不可变引用 &T

函数传值与返回

将值传递给函数，一样会发生 移动 或者 复制，就跟 let 语句一样，下面的代码展示了所有权、作用域的规则：

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 进入作用域

    takes_ownership(s);             // s 的值移动到函数里 ...
                                    // ... 所以到这里不再有效

    let x = 5;                      // x 进入作用域

    makes_copy(x);                  // x 应该移动函数里，
                                    // 但 i32 是 Copy 的，所以在后面可继续使用 x

} // 这里, x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
  // 所以不会有特殊操作

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。占用的内存被释放

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
    println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。不会有特殊操作

你可以尝试在 takes_ownership 之后，再使用 s，看看如何报错？例如添加一行 println!("在move进函数后继续使用s: {}",s);。

fn main() {
    let s1 = gives_ownership();         // gives_ownership 将返回值
                                        // 移给 s1

    let s2 = String::from("hello");     // s2 进入作用域

    let s3 = takes_and_gives_back(s2);  // s2 被移动到
                                        // takes_and_gives_back 中,
                                        // 它也将返回值移给 s3
} // 这里, s3 移出作用域并被丢弃。s2 也移出作用域，但已被移走，
  // 所以什么也不会发生。s1 移出作用域并被丢弃

fn gives_ownership() -> String {             // gives_ownership 将返回值移动给
                                             // 调用它的函数

    let some_string = String::from("hello"); // some_string 进入作用域.

    some_string                              // 返回 some_string 并移出给调用的函数
}

// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 进入作用域

    a_string  // 返回 a_string 并移出给调用的函数
}

所有权很强大，避免了内存的不安全性，但是也带来了一个新麻烦： 总是把一个值传来传去来使用它。 传入一个函数，很可能还要从该函数传出去，结果就是语言表达变得非常啰嗦，幸运的是，Rust 提供了新功能解决这个问题。这个我们在后续的小节中再介绍。