轻松掌握 Rust 的所有权和借用机制

2024-09-01码农

Rust 语言以其内存安全性和性能著称，而这一切都归功于其独特的内存管理机制——所有权和借用。本文将深入探讨这两个概念，并通过示例代码帮助你理解它们背后的原理。

所有权：掌控内存的钥匙

在 Rust 中，每个值都属于一个特定的所有者。所有权规则确保了每个值在程序运行期间始终有一个明确的主人，从而防止了常见的内存错误，如悬空指针和双重释放。

所有权规则的核心内容如下：

每个值都有一个所有者。 当你创建一个值时，它会自动成为当前作用域的所有者。
一个值只能有一个所有者。 当所有权发生转移时，原所有者将失去对该值的控制权。
当所有者离开作用域时，值会被释放。 这意味着所有者不再需要该值，并且其所占用的内存会被自动回收。

示例：

let s = String::from("hello"); // s 成为 String 的所有者 let s1 = s; // 所有权转移到 s1，s 变得无效 println!("{}", s); // 编译错误：值 s 已经失效 println!("{}", s1); // 输出：hello

在上面的示例中，当我们创建 s 时，它成为了 String 的所有者。随后，将 s 赋值给 s1 时，所有权转移到了 s1 ，而 s 则变得无效。尝试访问 s 会导致编译错误，因为 s 已经不再拥有该 String 。

借用：共享内存的桥梁

所有权规则虽然保证了内存安全，但也可能会限制代码的灵活性。为了解决这个问题，Rust 引入了借用机制，允许你暂时借用其他变量的值。

借用使用 & 符号表示，它创建了一个指向值的引用。借用分为两种类型：

不可变借用： & 创建对值的不可变引用，这意味着你只能读取借用的值，而不能修改它。
可变借用： &mut 创建对值的可变引用，这意味着你可以修改借用的值。

示例：

let s = String::from("hello"); let r1 = &s; // 不可变借用 println!("{}", r1); // 输出：hello let r2 = &mut s; // 可变借用 r2.push_str(", world!"); // 修改 s 的值 println!("{}", r2); // 输出：hello, world!

在上面的示例中， r1 是对 s 的不可变借用，因此只能读取 s 的值。而 r2 是对 s 的可变借用，因此可以修改 s 的值。

借用规则：确保内存安全

为了避免内存安全问题，Rust 对借用机制也制定了一系列规则：

不可变借用可以无限次创建。 只要不修改借用的值，你可以创建任意多个不可变引用。
可变借用只能创建一次。 同时只能存在一个对值的可变引用，因为多个可变引用可能会导致数据竞争。
不可变借用和可变借用不能同时存在。 如果你已经创建了一个对值的不可变引用，就不能再创建可变引用，反之亦然。

示例：

letmut s = String::from("hello"); let r1 = &s; // 不可变借用 let r2 = &s; // 另一个不可变借用，没有问题 let r3 = &mut s; // 编译错误：无法创建可变借用，因为已经存在不可变借用 println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

借用和所有权的交互

借用机制与所有权机制紧密相连。当一个借用结束时，所有权不会发生转移。这意味着借用只是对值的临时访问，不会影响所有权。

示例：

let s = String::from("hello"); let r1 = &s; // 不可变借用 println!("{}", r1); // 输出：hello let s1 = s; // 所有权转移到 s1，r1 变得无效 println!("{}", r1); // 编译错误：r1 已经失效 println!("{}", s1); // 输出：hello