輕松掌握 Rust 的所有權和借用機制

2024-09-01碼農

Rust 語言以其記憶體安全性和效能著稱，而這一切都歸功於其獨特的記憶體管理機制——所有權和借用。本文將深入探討這兩個概念，並透過範例程式碼幫助你理解它們背後的原理。

所有權：掌控記憶體的鑰匙

在 Rust 中，每個值都屬於一個特定的所有者。所有權規則確保了每個值在程式執行期間始終有一個明確的主人，從而防止了常見的記憶體錯誤，如懸空指標和雙重釋放。

所有權規則的核心內容如下：

每個值都有一個所有者。 當你建立一個值時，它會自動成為當前作用域的所有者。
一個值只能有一個所有者。 當所有權發生轉移時，原所有者將失去對該值的控制權。
當所有者離開作用域時，值會被釋放。 這意味著所有者不再需要該值，並且其所占用的記憶體會被自動回收。

範例：

let s = String::from("hello"); // s 成為 String 的所有者 let s1 = s; // 所有權轉移到 s1，s 變得無效 println!("{}", s); // 編譯錯誤：值 s 已經失效 println!("{}", s1); // 輸出：hello

在上面的範例中，當我們建立 s 時，它成為了 String 的所有者。隨後，將 s 賦值給 s1 時，所有權轉移到了 s1 ，而 s 則變得無效。嘗試存取 s 會導致編譯錯誤，因為 s 已經不再擁有該 String 。

借用：共享記憶體的橋梁

所有權規則雖然保證了記憶體安全，但也可能會限制程式碼的靈活性。為了解決這個問題，Rust 引入了借用機制，允許你暫時借用其他變量的值。

借用使用 & 符號表示，它建立了一個指向值的參照。借用分為兩種型別：

不可變借用： & 建立對值的不可變參照，這意味著你只能讀取借用的值，而不能修改它。
可變借用： &mut 建立對值的可變參照，這意味著你可以修改借用的值。

範例：

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

在上面的範例中， r1 是對 s 的不可變借用，因此只能讀取 s 的值。而 r2 是對 s 的可變借用，因此可以修改 s 的值。

借用規則：確保記憶體安全

為了避免記憶體安全問題，Rust 對借用機制也制定了一系列規則：

不可變借用可以無限次建立。 只要不修改借用的值，你可以建立任意多個不可變參照。
可變借用只能建立一次。 同時只能存在一個對值的可變參照，因為多個可變參照可能會導致數據競爭。
不可變借用和可變借用不能同時存在。 如果你已經建立了一個對值的不可變參照，就不能再建立可變參照，反之亦然。

範例：

letmut s = String::from("hello"); let r1 = &s; // 不可變借用 let r2 = &s; // 另一個不可變借用，沒有問題 let r3 = &mut s; // 編譯錯誤：無法建立可變借用，因為已經存在不可變借用 println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

借用和所有權的互動

借用機制與所有權機制緊密相連。當一個借用結束時，所有權不會發生轉移。這意味著借用只是對值的臨時存取，不會影響所有權。

範例：

let s = String::from("hello"); let r1 = &s; // 不可變借用 println!("{}", r1); // 輸出：hello let s1 = s; // 所有權轉移到 s1，r1 變得無效 println!("{}", r1); // 編譯錯誤：r1 已經失效 println!("{}", s1); // 輸出：hello