Rust学习笔记01

所有权，ownership

What is Ownership? - The Rust Programming Language (rust-lang.org)

所有权规则

Rust 中的每一个值都有一个 所有者（owner）
值在任一时刻有且只有一个所有者
当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃，（例如，函数执行完）

变量作用域

变量的作用域从声明开始，到最后一次使用的地方结束

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{
    // s 在这里无效，它尚未声明
    let s = "hello"; // 从此处起，s 是有效的
    println!("{}", s); // 使用 s
} // 此作用域已结束，s 不再有效

[!tip]
当 s 进入作用域 时，它就是有效的
这一直持续到它 离开作用域 为止

内存与分配

在有 垃圾回收（garbage collector，GC）的语言中，GC 记录并清除不再使用的内存，而我们并不需要关心它。在大部分没有 GC 的语言中，识别出不再使用的内存并调用代码显式释放就是我们的责任了，跟请求内存的时候一样。从历史的角度上说正确处理内存回收曾经是一个困难的编程问题。

如果忘记回收了会浪费内存
如果过早回收了，将会出现无效变量
如果重复回收，这也是个 bug、
我们需要精确的为一个 allocate 配对一个 free。

Rust 采取了一个不同的策略：内存在拥有它的变量离开作用域后就被自动释放。

当变量离开作用域，Rust 为我们调用一个特殊的函数。这个函数叫做 drop。在这里 String 的作者可以放置释放内存的代码，Rust 在结尾的 } 处自动调用 drop。

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{
 let s = String::from("hello"); // 从此处起，s 是有效的

 // 使用 s
}                                  // 此作用域已结束，
           // s 不再有效

[!warning] 在 C++ 中，这种 item 在生命周期结束时释放资源的模式有时被称作 资源获取即初始化（Resource Acquisition Is Initialization (RAII)）

移动: 变量与数据交互的方式

在 Rust 中，多个变量可以采取不同的方式与同一数据进行交互。

将变量 x 的整数值赋给 y：

将 5 绑定到 x
将 x 的拷贝并绑定到 y
整数是有已知固定大小的简单值，所以这两个 5 被放入了栈中

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let x = 5;
let y = x;

现在看看这个 String 版本：第二行可能会生成一个 s1 的拷贝并绑定到 s2 上。不过，事实上并不完全是这样

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let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;

String 由三部分组成

左侧所示：
- ptr，指向存放字符串内容内存的指针
- len，长度，表示当前 String 内容使用了多少字符数
- capacity，容量，表示当前 String 内容从分配器总共获取了多少字节的内存
- capacity >= len，capacity 包括了为字符串内容预留的内存量，即使在字符串为空时也是如此
这一组数据存储在栈上，右侧则是堆上存放内容的内存部分 ![[1.学习/1.开发语言/Rust/assets/trpl04-01.svg|300]]

当我们将 s1 赋值给 s2，String 的数据被复制了，这意味着我们从栈上拷贝了它的指针、长度和容量。我们并没有复制指针指向的堆上数据。 ![[1.学习/1.开发语言/Rust/assets/trpl04-02.svg|300]]

如果 Rust 也拷贝了堆上的数据，那么内存看起来就是这样的。如果 Rust 这么做了，那么操作 s2 = s1 在堆上数据比较大的时候会对运行时性能造成非常大的影响。 ![[1.学习/1.开发语言/Rust/assets/trpl04-03.svg|300]]

[!WANING] 当变量离开作用域后，Rust 自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。复制，两个数据指针指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s2 和 s1 离开作用域，它们都会尝试释放相同的内存。这是一个叫做 二次释放（double free）的错误，也是之前提到过的内存安全性 bug 之一。两次释放（相同）内存会导致内存污染，它可能会导致潜在的安全漏洞。

为了确保内存安全，在 let s2 = s1; 之后，Rust 认为 s1 不再有效，因此 Rust 不需要在 s1 离开作用域后清理任何东西。这段代码不能运行：

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let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;
println!("{s1}, world!");

你会得到一个类似如下的错误，因为 Rust 禁止你使用无效的引用。

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$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
  --> kafka-producer/src/main.rs:16:15
   |
14 |     let s1 = String::from("hello");
   |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
15 |     let s2 = s1;
   |              -- value moved here
16 |     println!("{s1}, world!");
   |               ^^^^ value borrowed here after move
   |
   = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` which comes from the expansion of the macro `println` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)
help: consider cloning the value if the performance cost is acceptable
   |
15 |     let s2 = s1.clone();
   |                ++++++++

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.
warning: `kafka-producer` (bin "kafka-producer") generated 1 warning
error: could not compile `kafka-producer` (bin "kafka-producer") due to 1 previous error

[!TIP] 如果你在其他语言中听说过术语 浅拷贝（shallow copy）和 深拷贝（deep copy），那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据可能听起来像浅拷贝。不过因为 Rust 同时使第一个变量无效了，这个操作被称为移动（move），而不是叫做浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被移动到了 s2 中。 ![[1.学习/1.开发语言/Rust/assets/trpl04-04.svg|300]]

这样就解决了我们的问题！因为只有 s2 是有效的，当其离开作用域，它就释放自己的内存，完毕。

另外，这里还隐含了一个设计选择：Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何自动的复制都可以被认为是对运行时性能影响较小的。

克隆: 变量与数据交互的方式

如果确实需要深度复制 String 中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做 clone 的通用函数。

这是一个实际使用 clone 方法的例子：

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let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();
println!("s1 = {s1}, s2 = {s2}");

这段代码能正常运行，这里堆上的数据确实被复制了。 ![[1.学习/1.开发语言/Rust/assets/trpl04-03.svg|300]]

拷贝: 只在栈上的数据

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let x = 5;
let y = x;
println!("x = {x}, y = {y}");

但这段代码似乎似乎和上面的内容相矛盾：没有调用 clone，不过 x 依然有效且没有被移动到 y 中。

原因是像整型这样的在编译时已知大小的类型被整个存储在栈上，所以拷贝其实际的值是快速的。这意味着没有理由在创建变量 y 后使 x 无效。换句话说，这里没有深浅拷贝的区别，所以这里调用 clone 并不会与通常的浅拷贝有什么不同，可以不用管它。

Rust 有一个叫做 Copy trait 的特殊注解，可以用在类似整型这样的存储在栈上的类型上。如果一个类型实现了 Copy trait，那么一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。

Rust 不允许自身或其任何部分实现了 Drop trait 的类型使用 Copy trait。如果我们对其值离开作用域时需要特殊处理的类型使用 Copy 注解，将会出现一个编译时错误。

那么哪些类型实现了 Copy trait 呢？你可以查看给定类型的文档来确认，不过作为一个通用的规则，任何一组简单标量值的组合都可以实现 Copy，任何不需要分配内存或某种形式资源的类型都可以实现 Copy 。如下是一些 Copy 的类型：

所有整数类型，比如 u32。
布尔类型，bool，它的值是 true 和 false。
所有浮点数类型，比如 f64。
字符类型，char。
元组，当且仅当其包含的类型也都实现 Copy 的时候。比如，(i32, i32) 实现了 Copy，但 (i32, String) 就没有。

所有权与函数

将值传递给函数与给变量赋值的原理相似。向函数传递值可能会移动或者复制，就像赋值语句一样。

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fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 进入作用域

    takes_ownership(s);             // s 的值移动到函数里 ...
                                    // ... 所以到这里不再有效

    let x = 5;                      // x 进入作用域

    makes_copy(x);                  // x 应该移动函数里，
                                    // 但 i32 是 Copy 的，
                                    // 所以在后面可继续使用 x

} // 这里，x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
  // 没有特殊之处

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。
  // 占用的内存被释放

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
    println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。没有特殊之处

当尝试在调用 takes_ownership 后使用 s 时，Rust 会抛出一个编译时错误。这些静态检查使我们免于犯错。

返回值与作用域

返回值也可以转移所有权。

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fn main() {
    let s1 = gives_ownership();         // gives_ownership 将返回值
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    let s2 = String::from("hello");     // s2 进入作用域

    let s3 = takes_and_gives_back(s2);  // s2 被移动到
                                        // takes_and_gives_back 中，
                                        // 它也将返回值移给 s3
} // 这里，s3 移出作用域并被丢弃。s2 也移出作用域，但已被移走，
  // 所以什么也不会发生。s1 离开作用域并被丢弃

fn gives_ownership() -> String {             // gives_ownership 会将
                                             // 返回值移动给
                                             // 调用它的函数

    let some_string = String::from("yours"); // some_string 进入作用域。

    some_string                              // 返回 some_string
                                             // 并移出给调用的函数
                                             //
}

// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 进入作用域
                                                      //

    a_string  // 返回 a_string 并移出给调用的函数
}

变量的所有权总是遵循相同的模式：将值赋给另一个变量时移动它。当持有堆中数据值的变量离开作用域时，其值将通过 drop 被清理掉，除非数据被移动为另一个变量所有。

虽然这样是可以的，但是在每一个函数中都获取所有权并接着返回所有权有些啰嗦。如果我们想要函数使用一个值但不获取所有权该怎么办呢？如果我们还要接着使用它的话，每次都传进去再返回来就有点烦人了，除此之外，我们也可能想返回函数体中产生的一些数据。

我们可以使用元组来返回多个值。

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fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let (s2, len) = calculate_length(s1);

    println!("The length of '{}' is {}.", s2, len);
}

fn calculate_length(s: String) -> (String, usize) {
    let length = s.len(); // len() 返回字符串的长度

    (s, length)
}

但是这未免有些形式主义，而且这种场景应该很常见。幸运的是，Rust 对此提供了一个不用获取所有权就可以使用值的功能，叫做引用（references）。