Rust 所有权，可转可借

在《释放堆内存，Rust是怎么做的？所有权！》一文中，我们看到了Rust的不凡身手：只要跳出具有所有权的变量作用域，那么该变量所拥有的堆上内存，就会进行确定性的释放。



{
  let v: Vec<u8> = vec![0;100];
} // v作为数组的所有者，在离开作用域时，销毁了所持有的内存。



这时候，问题来了，如若不能跨越作用域，那么充其量也就是另一种局部变量而已。堆变量的生命周期如何才能跨越作用域呢？



答案是：通过所有权的转移和借用。



所有权的转移



赋值即转移（move）



实现Rust所有权的转移，非常简单，赋值即转移。



fn get_a_vector()->Vec<u8>{
  let v: Vec<u8> = vec![0;100];
  let u = v; // 数组所有权由v转移给u
  u //函数结尾没有分号，即代表return
} // u作为数组的所有者（如果未发生转移），在离开作用域时，销毁了所持有的数组内存。
let w = get_vector() // 函数返回变量，再次把数组的所有权转移给w



上面的示例代码，发生了两次堆上数组所有权的转移：



1. u8类型的数组在函数内部从堆上申请；

2. 一开始数组的所有权属于变量v；

3. 当v赋值给u时，数组的所有权转移到了u；

4. 当函数返回时，通过赋值给w，数组的所有权发生了第二次转移；



最终通过函数返回值赋值操作，将堆所有权转移到了原作用域之外的变量。



避免野指针



此时，我们问个问题，在函数内部，当v赋值给u，转移数组所有权后，v此时的状态是什么？



回答之前，先复习下Rust所有权的基本特性：



• Rust中的每个值都有一个对应的变量作为它的所有者；

• 在同一时间内，只有且仅有一个所有者；

• 当所有者离开自己的作用域时，它持有的值就会被释放掉。



{
  let v: Vec<u8> = vec![0;100];
  let u = v; // 数组所有权由v转移给u
  println!("{}", v[0]);
}



上述代码，数组所有权由v转移给u后，再去使用v，编译都无法通过，编译器会提示：



error[E0382]: borrow of moved value: v。



可见此时的v，已经被废弃了，所以当v离开作用域时，也不会清理任何堆数据。



Rust所有权的唯一性，在编译期就避免了C++的野指针和二次释放。



赋值转移的本质



Rust赋值的本质，包含两件事：



• 浅拷贝，变量数据指向堆的数据，并未发生变化；

• 废弃源变量，这是Rust独有的；



所有权借用



借用的使用场景



通过所有权转移，函数传参也可以把所有权传递至函数内部。但是通过转移，源变量就被废弃了，如果在函数调用后还想继续使用源变量，则可以使用借用的方式：



{
  let s1 = String::from("hello");
  let len = calculate_length(&s1); // 借用，而不是转移
  println!("The length of '{}' is {}", s1, len);
}
fn calculate_length(s: &String)->usize{
  s.len()
}// s1离开作用域，堆数据释放



所有权的借用，是通过引用实现的。



顾名思义，通过借用得到的对堆数据的引用，是没有所有权的。借用者离开自己的作用域，当然也不会发生对堆数据的释放。



借用与归还



借用分为两种：



• 不可变借用，借来，但不能改，通过引用实现；

• 可变借用，借来，可以改，通过可变引用来实现；



{
  let mut x = String::from("Hello");
  x.push_str(", world");
  let r1 = &x; // 不可变借用
  let r2 = &mut x; // 可变借用
  let r3 = &mut x; // 可变借用
  r3.push_str("!"); // 修改
  println!("r3: {}", r3);
}



在2020年6月的第一版第一次印刷的中文版《Rust权威指南》，第4章，认识所有权，97页提到：



可变引用在使用上有一个很大的限制：对于特定作用域中的特定数据来说，一次只能声明一个可变引用。



但是在我的环境里，rustc 1.44.0 (49cae5576 2020-06-01)，这个限制明显放开了一些，上面的代码在我的环境里是可以成功编译和运行的。



除了借用这个概念，我还归纳了一个概念——归还：



• 借用后，在当前作用域中，最后一次使用，即等于归还；

• 即便在同一个作用域内，借用后只要归还，就能再次借用；

• 借用期间，源变量不能修改；



• 可变借用期间，源变量不可用；



这个借用和归还，就像真实世界里图书馆里的一本书。



Rust之所以要做这些约束，主要是为了解决数据竞争（data race），避免了：两个或两个以上的指针同时访问同一空间时，其中至少有一个指针会向空间中写入数据，且没有同步数据访问的机制。