rust语言基础学习: 从几个示例代码理解所有权

2020-07-10

Rust

前面学习了Rust的所有权规则、Move和Copy语义、引用和借用的知识。今天先做一个复习，再从几个代码例子继续加深对Rust所有权的理解。

1.Rust所有权基础知识 #

Rust的所有权主要是用来管理堆内存的，所有权就是堆上数据的拥有和释放权，在Rust中这个权利是独占的，即单一所有权。

1.1 所有权规则 #

Rust有以下3条所有权规则:

Rust中的每个值都有一个变量，称为它的所有者 (Each value in Rust has a variable that’s called its owner.)
一个值在同一时刻有且只有一个所有者 (There can only be one owner at a time.)
当所有者离开作用域时，这个值将被丢弃 (When the owner goes out of scope, the value will be dropped.)

规则1给出了所有者owner的概念，规则2对应所有权的转移Move语义，规则3对应内存释放Drop。Rust通过单一所有权，将堆上内存管理与分配在栈上的所有者变量生命周期绑定，所有者离开作用域后堆内存也自动释放。

1.2 Move语义和Copy语义 #

规则2描述的是单一所有权，那么Rust中是如何保证单一所有权的呢？一种方式是，值所有权从变量1转移到变量2，这就是Move语义；另一种方式是将值复制一份，变量1仍拥有旧的值，变量2拥有复制出来的值，这是Copy语义。

Move语义: 变量赋值、函数传参时，如果数据类型未实现Copy trait，会发生所有权转移(Move)

Copy语义: 变量赋值、函数传参时，如果数据类型实现了Copy trait, 就会使用Copy语义，对应的值会被按位拷贝(浅拷贝)，产生新的值，不会发生所有权转移

Rust不允许自身或其任何部分实现了Drop trait的类型使用Copy trait

可以从文档https://doc.rust-lang.org/std/marker/trait.Copy.html#implementors查看哪些类型实现了Copy trait中。整理归纳如下:

所有的整形类型，例如i32
布尔类型bool
所有的浮点类型，例如f64
字符类型char
元组，当且仅当其包含的类型也都实现了Copy trait，例如(i32, i32)实现了Copy，但(i32, String)就没有
数组，当且仅当其内部元素类型实现了Copy trait
……

1.3 借用和借用规则 #

Move语义虽然避免了堆内存上数据被随意引用的问题，但也会带来使用上的不便。因为发生所有权转移时，失去所有权的变量将会失效，无法被继续使用。

有的时候我们需要使用一下数据，但又不希望发生所有权转移。针对这种情况Rust提供了Borrow语义，当不希望所有权转移时，可以借用数据。

借用就是一个值的所有权在不发生转移的情况下，借给其他变量使用。 在Rust中要使用借用，需要先使用引用语法(&或&mut)创建一个引用。注意这里的引用，要同其他编程语言中的引用区分开。在其他编程语言(例如Java)中，一个值的多个引用拥有对值的访问权限，相当于共享了所有权。在Rust中，创建的引用只是拥有临时的使用权，而没有所有权。

在Rust中引用和借用说的是一回事，Rust中将创建一个引用的行为称为借用(borrowing)。

使用借用需要遵循以下借用规则:

引用不能超过值的生命周期 (expected lifetime parameter，编译器提示缺少生命周期参数，生命周期是我们后续学习的内容)
在同一时刻一个值不能创建多个可变引用(cannot borrow x as mutable more than once at a time)
在同一时刻一个值已经创建了不可变引用，不能再为其创建可变引用(cannot borrow x as mutable because it is also borrowed as immutable)

2和3可以归并成: 一个值在任意给定的时间，要么只能有一个活跃的可变引用，要么只能有多个不可变引用。

2.从代码示例理解 #

下面从几个代码示例理解前面已经整理和复习的知识点。

2.1 rustlings中的move_semantics1.rs #

下面的代码时rustlings中的exercises/move_semantics/move_semantics1.rs，要求我们修改下面的代码，使其可以编译通过:

 1fn main() {
 2    let vec0 = Vec::new();
 3
 4    let vec1 = fill_vec(vec0);
 5
 6    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 7
 8    vec1.push(88);
 9
10    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
11}
12
13fn fill_vec(vec: Vec<i32>) -> Vec<i32> {
14    let mut vec = vec;
15
16    vec.push(22);
17    vec.push(44);
18    vec.push(66);
19
20    vec
21}

第2行，创建一个Vec，将分配在堆上，vec0变量获得所有权
第4行调用fill_vec函数后，所有权从vec0转移到了fill_vec函数的vec参数上。
第14行，因为Rust中允许变量屏蔽(variable shadowning)，声明的vec变量屏蔽了参数vec，所有权转移到了函数局部变量vec上
第20行，vec被返回到第4行函数调用结果使用vec1变量接收，所有权转移到了vec上

上面分析了这段代码从所有权转移角度上，满足所有权规则。问题出在了对变量的使用上，因为rust中使用let声明变量默认是不可修改，而这段代码第8行使用了不可变变量vec1向Vec添加元素。为了使这段代码编译通过，只要将变量vec1声明为可变mut就可以了。

 1fn main() {
 2    let vec0 = Vec::new();
 3
 4    let mut vec1 = fill_vec(vec0);
 5
 6    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 7
 8    vec1.push(88);
 9
10    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
11}
12
13fn fill_vec(vec: Vec<i32>) -> Vec<i32> {
14    let mut vec = vec;
15
16    vec.push(22);
17    vec.push(44);
18    vec.push(66);
19
20    vec
21}

2.2 rustlings中的move_semantics2.rs #

下面的代码时rustlings中的exercises/move_semantics/move_semantics2.rs，要求在不动第7行的前提下，修改下面的代码，使其可以编译通过:

 1fn main() {
 2    let vec0 = Vec::new();
 3
 4    let mut vec1 = fill_vec(vec0);
 5
 6    // Do not change the following line!
 7    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec0", vec0.len(), vec0);
 8
 9    vec1.push(88);
10
11    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
12}
13
14fn fill_vec(vec: Vec<i32>) -> Vec<i32> {
15    let mut vec = vec;
16
17    vec.push(22);
18    vec.push(44);
19    vec.push(66);
20
21    vec
22}

这段代码第4行调用fill_vec函数后，所有权从vec0转移到函数内的vec参数上，vec0将失效，所以第7行还使用vec0的话，将会得到value borrowed here after move编译错误。

单从这道题的要求，只要不动第7行，保证编译通过就行。结合前面学过的所有权知识，后边还要用到vec0，所以不希望发生所有权转移，最简单的修改方式是将调用fill_vec(vec0)方式修改成fill_vec(vec0.clone())。即手动复制一份数据，这样不会发生所有权转移。当然，实际开发的话手动clone效率低不推荐，这里只是为了应试~

2.3 rustlings中的move_semantics3.rs #

下面的代码时rustlings中的exercises/move_semantics/move_semantics3.rs，要求是不能增加新的代码行，只是修改现有代码行使其可以编译通过：

 1fn main() {
 2    let vec0 = Vec::new();
 3
 4    let mut vec1 = fill_vec(vec0);
 5
 6    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 7
 8    vec1.push(88);
 9
10    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
11}
12
13fn fill_vec(vec: Vec<i32>) -> Vec<i32> {
14    vec.push(22);
15    vec.push(44);
16    vec.push(66);
17
18    vec
19}

这段代码也很简单，第4行vec0的所有权被转移后它就失效了，后边也没有再使用vec0，所以这块没有问题。问题出现fill_vec函数内部，因为在内部要修改Vec中的数据，所以需要将参数vec声明成可变mut的。修改方法就是把fill_vec函数的签名修改成fn fill_vec(mut vec: Vec<i32>) -> Vec<i32>即可。

2.4 rustlings中的move_semantics4.rs #

下面的代码时rustlings中的exercises/move_semantics/move_semantics4.rs，要求重构代码去掉main函数中的vec0，使其可以编译通过:

 1fn main() {
 2    let vec0 = Vec::new();
 3
 4    let mut vec1 = fill_vec(vec0);
 5
 6    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 7
 8    vec1.push(88);
 9
10    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
11}
12
13// `fill_vec()` no longer takes `vec: Vec<i32>` as argument
14fn fill_vec() -> Vec<i32> {
15    let mut vec = vec;
16
17    vec.push(22);
18    vec.push(44);
19    vec.push(66);
20
21    vec
22}

修改完成的代码如下:

 1fn main() {
 2    let mut vec1 = fill_vec();
 3
 4    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 5
 6    vec1.push(88);
 7
 8    println!("{} has length {} content `{:?}`", "vec1", vec1.len(), vec1);
 9}
10
11// `fill_vec()` no longer takes `vec: Vec<i32>` as argument
12fn fill_vec() -> Vec<i32> {
13    let mut vec = Vec::new();
14
15    vec.push(22);
16    vec.push(44);
17    vec.push(66);
18
19    vec
20}

修改完成后，在fill_vec函数内部，创建了一个Vec，分配在堆上，其被变量vec所有，往Vec中添加了3个元素后，函数fill_vec返回。Vec的所有权从fill_vec函数内部转移到了main函数中的vec1变量。

2.5 rustlings中的move_semantics5.rs #

下面的代码时rustlings中的exercises/move_semantics/move_semantics5.rs，在不修改、添加、删除代码行的前提下，使其可以编译通过:

1fn main() {
2    let mut x = 100;
3    let y = &mut x;
4    let z = &mut x;
5    *y += 100;
6    *z += 1000;
7    assert_eq!(x, 1200);
8}

这段代码第3行和第4行为变量x创建了两个可变引用y和z，不满足借用规则的第2条"在同一时刻一个值不能创建多个可变引用"。因此得到了编译错误cannot borrow x as mutable more than once at a time。

修改这个代码的话，只要把第4行和第5行交换一下位置:

1fn main() {
2    let mut x = 100;
3    let y = &mut x;
4    *y += 100;
5    let z = &mut x;
6    *z += 1000;
7    assert_eq!(x, 1200);
8}

这样创建完可变引用后，马上使用了它修改了值的数据，后边的代码可变引用y没有再被用到即y不再活跃，所以也就满足了借用规则。

2.6 分配在堆上的数据能否引用栈上的数据? #

Rust的所有权主要是为了管理堆内存的，那么分配上堆上的数据结构可以引用栈上的数据吗？这个要看生命周期，只要栈上数据的生命周期大于堆上数据的生命周期就可以，例如下面的代码是可以编译通过的:

1fn main() {
2    let num = 100; // 分配在栈上
3    let vec = vec![&num]; // 分配在堆上
4    println!("{:?}", vec);
5}

但如果栈上数据的生命周期小于堆上数据的生命周期就不可以了，下面的代码无法编译通过，因为不满足借用规则中的"引用不能超过值的生命周期":

 1fn main() {
 2
 3    let mut vec = Vec::new(); // 分配在堆上
 4    push(&mut vec);
 5    println!("{:?}", vec);
 6}
 7
 8fn push(vec: &mut Vec<&i32>) {
 9    let num = 100; // 分配在栈上
10    vec.push(&num); // `num` does not live long enough
11}

2.7 同一个值的可变引用和不可变应用不能共存的例子 #

代码示例如下:

 1fn main() {
 2    let mut vec1 = vec![1, 2, 3];
 3    let vec2 = vec![&vec1[0]];
 4
 5    for i in 0..100 {
 6        vec1.push(i); // cannot borrow `vec1` as mutable because it is also borrowed as immutable
 7
 8    }
 9
10    println!("{:?}", vec2);
11}

编译错误为 cannot borrow vec1 as mutable because it is also borrowed as immutable。

在这段代码中，vec2中借用了vec1中的第一个元素，创建了一个不可变引用&vec![0]。在后边的循环中调用vec1.push(i);时，注意push方法的签名为pub fn push(&mut self, value: T)，即在push时又使用了vec1的可变引用。这违背了借用规则"在同一时刻一个值已经创建了不可变引用，不能再为其创建可变引用"。

2.8 同一时刻不能创建多个可变引用的例子 #

代码示例如下:

1fn main() {
2    let mut vec1 = vec![1, 2, 3];
3    for elem in vec1.iter_mut() {
4        vec1.push(*elem + 1) // cannot borrow `vec1` as mutable more than once at a time
5    }   
6}

编译错误为cannot borrow vec1 as mutable more than once at a time。这段代码中，vec1.iter_mut()返回一个迭代器用于修改Vec中的值，elem为&mut i32可变引用，再调用vec1.push(*elem + 1)时，注意push方法的签名为pub fn push(&mut self, value: T)，即在push时又使用了vec1的可变引用。对Vec同一时刻出现了多个可变引用，这违背了借用规则"在同一时刻一个值不能创建多个可变引用"。

参考 #

https://github.com/rust-lang/rustlings