每日一 R「03」Borrow 语义与引用

作者：Samson

2022 年 8 月 10 日
上海
本文字数：2054 字
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在上节课中，我们学习了变量的所有权原则。在所有权原则下，值有单一的所有者。所有权原则为 Rust 带来了非常多的好处，例如不需要设计 GC。但是，所有权转移也使得开发者在赋值、函数调用和返回时必须谨慎地处理值的所有权问题，否则将会导致失去所有权而无法访问原来的值。

为了解决所有权的问题，Rust 为所有定长的变量实现了 Copy trait，即当赋值、传参和返回时，使用 Copy 语义自动把值拷贝一份，而不使用 Move 语义；对于非定长类型的变量，没有实现 Copy trait，所以不能使用 Copy 语义复制。Rust 中设计了 Borrow 语义，在不获取变量所有权的情况下，通过“引用”访问变量的值。

01-只读借用/引用

Rust 中借用与引用是同义的，只不过与其他语言中的引用有所不同，所以 Rust 使用了新的概念借用。变量只读借用的语法是&x，它与 C/C++ 中的取引用语法类似。它对变量的作用我们通过一张图来理解：

图中的变量 y 是 x 的只读引用，s1 是 s 的只读引用。要想访问借用变量的值，可以通过解引用*y。

在其他语言中，例如 Java，函数调用时传参有传值和传引用的区别。Rust 中没有传引用的概念，传参与赋值一样，遵循变量所有权原则。传参时，对于实现了 Copy trait 的类型来说，Rust 会使用 Copy 语义将数据拷贝一份（浅拷贝）作为函数入参；对于未实现或不能实现 Copy trait 的类型来说，Rust 会使用 Move 语义，将变量所有权转移给函数入参。当函数结束并返回到调用点后，所有权转移到函数内部的变量随着函数的生命周期结束而被回收了，后续便无法再继续访问。

考虑如下的代码：

fn main() {    let data = vec![1, 2, 3, 4];    let data1 = data;  // data 的所有权转移给了 data1，后续不能再使用 data    println!("sum of data1: {}", sum(data1)); // data1 的所有权转移到了函数 sum 中，后续不能再使用 data1    println!("data1: {:?}", data1); // error1    println!("sum of data: {}", sum(data)); // error2}fn sum(data: Vec<u32>) -> u32 {    data.iter().fold(0, |acc, x| acc + x)}

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可以对 sum 方法修改下，将入参改为接收只读引用：

fn main() {    let data = vec![1, 2, 3, 4];    let data1 = &data; // data1 为 data 的只读引用    println!("sum of data1: {}", sum(data1)); // 只读引用实现了 Copy trait    println!("data1: {:?}", data1);  // 不会出错    println!("sum of data: {}", sum(&data)); }fn sum(data: &Vec<u32>) -> u32 {    // 值的地址会改变么？引用的地址会改变么？    println!("addr of value: {:p}, addr of ref: {:p}", data, &data);    data.iter().fold(0, |acc, x| acc + x)}

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课程中有一张图，很好地解释了这个过程。Rust 中只读引用实现了 Copy trait，所以在调用 sum 方法时，会自动拷贝一份值。所以 sum 方法中 data 同样指向了栈中的胖指针。当 sum 方法结束后，回收的也只是 data 这个引用，而不会影响堆上的数据。

仔细看下上图，如果 data 因为离开作用域，它拥有的堆上数据被回收（所有权原则），那 data1 和 data1’ 这种对 data 的引用岂不是会造成 Rust 极力避免的 use after free 问题吗？

所以，Rust 对变量引用做了严格地限制，即变量引用的生命周期不能超过（outlive）变量本身的生命周期。

02-可变借用/引用

可变借用，顾名思义，是可以改变所引用变量值的引用。变量的可变引用语法是&mut x。在没有引入可变借用之前，修改值（内存中内容）只能通过拥有所有权的变量进行。引入了可变引用后，相当于同时存在了多个修改窗口，是非常危险的操作。所以，Rust 对可变引用进行了严格的限制：

在一个作用域内，仅允许一个活跃的可变引用。
在一个作用域内，活跃的可变引用（写）和只读引用（读）是互斥的，不能同时存在。

注：什么是活跃的可变引用？我们换个角度来理解，什么是不活跃的可变引用？不活跃是指虽然声明为可变引用，但却未当作可变引用来用。例如下面这个例子：

fn main() {    let mut x: u32 = 10;    let y = &mut x;    println!("{}", *y);    // 1    let z = &mut x;        // 2    *z = 30;    println!("{}", x);}

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y 和 z 都是 x 的可变借用，它们的作用域都在 main 方法中，但 Rust 编译器可通过也可正常运行。关于作用域其实还有另外一个说法：作用域从声明的地方开始一直持续到最后一次使用为止。上面的例子中，y 和 x 的作用域并不交叉，所以没问题。如果 1 和 2 两行代码交换位置，编译器就会报错。

对于变量 y 这种引用在作用域 } 之前就不再使用的代码位置，Rust 有一个专门的称呼，叫做 NLL(Non-Lexical Lifetimes)。这是一种编译器优化行为，在比较旧的编译器版本中，可能不可用。

对于引用生命周期限制规则中的第二条，是不是有点熟悉的感觉。仅从描述上看，非常类似于 Java 中的读写锁。其实我们从修改内存的角度看，可变引用和不变引用与读写锁有异曲同工之妙。