Rust学习笔记004：Rust的所有权机制

内存相关的基础知识

不同语言的内存管理系统

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栈和堆

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堆和栈的使用

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引出所有权方案

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String类型

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Rust 的所有权机制

  • Rust 的所有权机制是一种内存管理系统，它允许在编译时通过所有权、借用和生命周期来确保内存安全，同时避免了垃圾回收的运行时开销。这些概念共同构成了 Rust 强大的所有权系统，通过编译时的检查来防止一类内存错误，如空悬指针和双重释放等。这种系统使得 Rust 具有内存安全性、线程安全性和零成本抽象等特性。

1. 所有权规则：

  • 每个值都有一个所有者： 在任意时刻，一个值只能有一个所有者。
  • 所有者离开作用域时，值会被销毁： 当拥有某个值的变量离开其作用域时，Rust 会自动调用该值的 Drop trait 中的 drop 方法来释放其占用的资源。

2. 移动（Move）：

  • 当将一个值赋值给另一个变量时，所有权会从一个变量移动到另一个变量。这会导致原来的变量无法再使用该值。
let s1 = String::from("Hello");// 可以使用 from 函数从字符串字面值创建出 String 类型
let s2 = s1; // 所有权移动到变量 y
// println!("{}", x); // 这里编译器会报错，因为 x 不再拥有值的所有权
  • 隐含的一个设计原则: Rust 不会自动创建数据的深拷贝,就运行时性能而言，任何自动赋值的操作都是廉价的
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相关：C++中，移动构造函数

  • 在C++中，移动构造函数（Move Constructor）是一种特殊的构造函数，用于在对象的所有权被转移（移动）时创建新对象。移动构造函数通常用于提高性能，特别是在涉及资源管理的情况下，比如使用动态内存分配的对象。

  • 移动构造函数是通过右值引用（Rvalue Reference）来实现的。在C++11及以后的标准中，可以通过定义移动构造函数来支持右值引用。移动构造函数的目标是在没有不必要的资源复制的情况下，将资源从一个对象“移动”到另一个对象，以提高效率。

  • 以下是一个简单的示例，演示了移动构造函数的用法：

#include <iostream>
#include <string>class MyString {
public:// 移动构造函数MyString(MyString&& other) noexcept {std::cout << "Move constructor called" << std::endl;data = other.data;size = other.size;other.data = nullptr;other.size = 0;}// 构造函数MyString(const char* str) {size = strlen(str);data = new char[size + 1];strcpy(data, str);}// 析构函数~MyString() {delete[] data;}private:char* data;size_t size;
};int main() {MyString str1("Hello");MyString str2 = std::move(str1); // 使用移动构造函数return 0;
}

在上述例子中，MyString 类具有移动构造函数。在 main 函数中，通过 std::move 将 str1 的所有权移动给了 str2。移动构造函数被调用后，str1 的资源被移动到 str2，同时 str1 的数据成员被置为 nullptr。

注意：在移动构造函数中，我们通常将被移动对象的数据成员设置为安全状态，以避免资源重复释放。此外，通常需要在移动构造函数中使用 noexcept 来指定该函数不会抛出异常，以便在一些情况下提供更好的性能。

移动构造函数对于提高性能和避免不必要的资源复制是非常有用的，特别是在处理大型数据结构、动态分配内存等情况下。

3. 克隆（Clone，Copy）：感觉类似c++的深拷贝构造

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如果需要拷贝堆上数据而不是移动所有权，可以使用 clone 方法。但这会增加内存开销。

let x = String::from("Hello");
let y = x.clone(); // 创建了一个新的 String 对象，所有权移动到变量 y
println!("x: {}, y: {}", x, y); // 这样是合法的，因为 x 仍然有效

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4. 借用（Borrowing）：

通过借用，可以暂时获取对值的引用而不移动所有权。借用分为可变借用和不可变借用。

fn main() {let s1 = String::from("Hello");let len = calculate_length(&s1); // 通过引用借用 s1println!("Length of '{}' is: {}", s1, len); // 这里依然可以使用 s1，因为只是借用了引用// 可变借用let mut s2 = String::from("Rust");modify_string(&mut s2); // 通过可变引用借用 s2println!("Modified string: {}", s2);
}fn calculate_length(s: &String) -> usize {s.len()
}fn modify_string(s: &mut String) {s.push_str(" is awesome!");
}

5. 生命周期（Lifetime）：

生命周期是用于描述引用有效范围的标记。Rust 的生命周期系统确保引用在其所引用的值有效的情况下才能被使用。

fn longest<'a>(s1: &'a str, s2: &'a str) -> &'a str {if s1.len() > s2.len() {s1} else {s2}
}fn main() {let s1 = String::from("Rust");let s2 = String::from("C");let result;{let s3 = String::from("Java");result = longest(s1.as_str(), s3.as_str());} // s3 的生命周期结束，result 引用的值仍然是有效的println!("The longest string is: {}", result);
}

在上述例子中，longest 函数使用了生命周期参数 'a，它表示返回的引用的生命周期与输入参数的生命周期一致。

所有权与函数

在 Rust 中，所有权系统与函数的参数传递和返回密切相关，它确保在函数调用过程中对所有权的正确管理。

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1. 所有权传递：

当你将一个值传递给函数时，它的所有权会被转移给函数。这意味着在函数中你可以使用该值，但在函数返回后，调用者将无法再使用它。

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fn take_ownership(s: String) {println!("Received: {}", s);// s 的所有权在这里结束，s 的内存将被释放
}fn main() {let my_string = String::from("Hello");take_ownership(my_string); // my_string 的所有权被传递给 take_ownership 函数// println!("Value: {}", my_string); // 这里编译器会报错，因为 my_string 已经失去了所有权
}

2. 返回所有权：

函数也可以返回所有权，将所有权还给调用者。这可以通过在函数签名中指定返回类型为 -> 加上类型名。

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fn return_ownership() -> String {let s = String::from("Returned");s // 所有权被返回给调用者
}fn main() {let result = return_ownership(); // 调用 return_ownership 后，result 拥有了返回的所有权println!("Result: {}", result);
}

3. 引用传递：

  • 在所有权用完后，再返回回来？
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  • 如果你想在函数中使用值但不获取其所有权，可以使用引用传递。引用允许你在不移动所有权的情况下访问值。

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fn borrow_value(s: &String) {println!("Borrowed: {}", s);// s 是引用，所有权不会在这里转移
}fn main() {let my_string = String::from("Hello");borrow_value(&my_string); // 传递了 my_string 的引用println!("Value: {}", my_string); // 这是合法的，因为并未传递所有权
}

可变引用
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字符串切片

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