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30天拿下Rust之所有权

概述

在编程语言的世界中,Rust凭借其独特的所有权机制脱颖而出,为开发者提供了一种新颖而强大的工具来防止内存错误。这一特性不仅确保了代码的安全性,还极大地提升了程序的性能。在Rust中,所有权是一种编译时检查机制,用于追踪哪些内存或资源何时可以被释放。每当一个变量被赋予一个值(比如:字符串、数组或文件句柄)时,Rust会确定这个变量是否“拥有”这个值,拥有资源的变量负责在适当的时候释放这些资源。

所有权的规则

在Rust中,每个值都有一个被称为“所有者”的变量。同一时间内,这个值只能有一个所有者,并且当所有者(变量)离开作用域时,该值会被自动释放,不需要我们手动释放,这就是所谓的“所有权”。这意味着Rust通过编译期检查,强制执行资源生命周期管理,从根本上杜绝了内存泄漏问题。

Rust的所有权规则非常简单,只有以下三条,但却非常有效。

1、单一所有者:在任何给定的时间,只有一个变量可以拥有某个资源。这确保了不会出现数据竞争,因为只有一个所有者可以修改或释放资源。

2、移动语义:当资源从一个变量转移到另一个变量时,所有权也随之移动。这意味着原始变量不再拥有资源,新变量现在负责释放资源。这种转移是通过“移动”操作来完成的,这类似于C++ 11中的移动语义。

3、释放资源:当拥有资源的变量离开其作用域时,Rust会自动释放该资源。这确保了不会发生内存泄漏,因为资源总是在不再需要时被清理。

栈和堆

在Rust中,值是位于栈上还是堆上,在很大程度上影响了语言的行为。因此,在继续介绍下面的内容之前,我们有必要先学习下栈和堆的知识。

当一个函数被调用时,它的局部变量和参数通常会被分配在栈上。当函数执行完毕返回时,这些变量会自动被清理。栈内存的访问速度非常快,因为栈具有连续的内存空间,CPU可以直接通过指针运算访问栈上的数据。但栈的大小通常是有限制的,因为栈是后进先出的数据结构。如果递归调用过深或者分配了过多的局部变量,可能会导致栈溢出。

堆内存由程序员(或编程语言运行时)手动分配和释放。在Rust中,使用String、Vec等数据时,数据通常会被分配在堆上。由于堆内存是分散的,访问堆上的数据通常比访问栈上的数据要慢。堆的大小通常比栈大得多,并且没有严格的后进先出限制,这使得堆适合存储生命周期不确定或需要大量内存的数据。

移动和克隆

在Rust中,数据的移动和克隆是处理数据所有权和交互的两种非常重要的机制。

对于栈上的数据,赋值时,数据是直接克隆或拷贝的,不涉及移动的概念。一些基本数据类型(包括:整型、浮点型、布尔型、字符型、仅包含以上类型的元组)对应的变量不需要存储到堆上,都是存储到栈上的。

fn main() {

let x = 5;

let y = x;

// 栈上的数据,赋值时进行克隆

println!("{0} {1}", x, y);

}

对于堆上的数据,赋值时,默认是进行移动的。当数据通过值传递时,会发生数据的移动。这意味着数据的所有权会从发送方转移到接收方。一旦数据被移动,原始数据就不再有效,因为它不再拥有数据的所有权。

fn main() {

let str1 = String::from("Hello, World");

// str1的所有权会移动到str2

let str2 = str1;

// 会提示编译错误:value borrowed here after move

// println!("str1: {}", str1);

// str2现在拥有所有权

println!("str2: {}", str2);

}

在上面的示例代码中,str1的所有权被移动到了str2,因此str1不再有效。如果我们尝试使用str1,Rust编译器会报错。

对于堆上的数据,如果我们既想要保留原始数据的所有权,又想让另一个变量拥有相同的数据,可以使用clone方法来创建数据的一个副本。在Rust中,不是所有的类型都实现了Clone特征,但对于那些实现了Clone的类型(比如:String、Vec等),我们可以调用clone方法来创建一个新的副本。

fn main() {

let str1 = String::from("Hello, World");

// 创建str1的副本,而不是移动所有权

let str2 = str1.clone();

// str1仍然拥有所有权

println!("str1: {}", str1);

// str2拥有str1的副本

println!("str2: {}", str2);

}

在上面的示例代码中,str1.clone() 创建了str1的一个副本,并将所有权赋给了str2。这样,str1和str2都拥有有效的数据,并且都可以独立地使用。

注意:clone方法通常涉及到数据的深拷贝,这可能会消耗额外的内存和性能。因此,在需要频繁复制大型数据结构时,应该考虑其他策略,比如:使用引用或智能指针来共享所有权。

所有权的使用

在Rust中,函数与所有权的关系是紧密相联的。函数涉及的所有权主要有两种:一种是函数参数的所有权,另一种是函数返回值的所有权。

1、函数参数的所有权。当你通过值传递一个变量给函数时,该变量的所有权会转移到函数中。函数内部可以自由地修改和使用这个变量,而原始变量在函数调用后将不再有效。这种所有权转移,确保了数据在函数中的安全性和一致性。

struct Data {

value: i32,

}

fn process_data(data: Data) {

// data获得了所有权

println!("{}", data.value);

// 函数结束时,data的所有权会被释放

}

fn main() {

let cur_data = Data { value: 66 };

// 将cur_data的所有权传递给process_data函数

process_data(cur_data);

// my_data的所有权已经被转移,故下面的代码会提示编译错误

// println!("{}", cur_data.value);

}

在上面的示例代码中,我们定义了一个名为Data的结构体,它包含一个i32类型的字段。当我们把这个结构体变量cur_data作为参数传递给process_data函数时,cur_data的所有权被转移到了函数的参数data中。因此,在process_data函数执行期间,data可以被自由地使用。但一旦函数执行完毕,cur_data的所有权就被释放了,因此我们不能在后面再次访问它,否则会导致编译错误。

2、函数返回值的所有权。函数可以返回值,而返回值的所有权会转移到调用方。这意味着,调用方负责该值的生命周期。

fn greet(name: String) -> String {

let text = format!("Hello, {}", name);

// 当函数返回text时,它的所有权将被转移到调用方

return text;

}

fn main() {

// 创建一个String,并将其所有权传递给greet函数

let name = String::from("World");

// 调用greet函数,并获得返回值的所有权

let result = greet(name);

println!("{}", result);

}

总结

Rust的所有权模型是一种独特而强大的工具,也是一套严谨而灵活的编程范式。它确保了内存安全,简化了并发编程,并赋予了开发者更高的控制力,使他们能够编写出既安全又高效的软件。这是Rust区别于其他现代编程语言的独特魅力所在,也是其在系统级编程、网络服务、嵌入式开发等各个领域大放异彩的重要原因。

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  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/Oy_mZM9uqIG24gStDYL1C16A0
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