Rust中的所有权与借用

Rust 所有权与借用知识总结

堆与栈的基础概念

栈（Stack）​​

​​存储方式​​：后进先出（LIFO），按顺序存储和释放数据。 ​​数据特点​​：存储固定大小的已知数据（如基本类型、指针等）。 ​​性能​​：分配和释放速度快（仅操作栈顶），无需动态内存管理。 ​​示例​​：函数调用时参数、局部变量入栈，函数结束自动出栈。

堆（Heap）​​

​​存储方式​​：动态分配，需手动请求和释放内存空间。 ​​数据特点​​：存储大小未知或可能变化的数据（如 String、集合等）。 ​​性能​​：分配速度较慢（需操作系统查找可用空间），需跟踪内存生命周期。 ​​示例​​：String::from("hello") 在堆上分配内存，栈中存储指向堆的指针。

一、所有权的核心规则

1. 核心规则
   • 每个值有且仅有一个所有者（变量）。 • 当所有者离开作用域时，值会被自动释放（调用 drop）。 • 赋值或传参时，默认会转移所有权（称为 移动）。

2. 示例说明

   let s1 = String::from("hello");
   let s2 = s1; // s1 的所有权被移动到 s2，s1 不再有效
   // println!("{}", s1); // 编译错误：s1 已失效
   

二、所有权转移与复制

1. 移动（Move）
   • 默认行为：赋值或传参会转移所有权，原变量失效。 • 适用于堆分配的数据（如 String、Vec）。

2. 复制（Copy）
   • 基本类型（如 i32、bool）实现 Copy trait，赋值时直接复制值。 • 栈上数据直接复制，无所有权转移。

   let x = 5;
   let y = x; // 复制值，x 和 y 均有效
   

3. 显式深拷贝（Clone）
   • 使用 clone 方法复制堆数据：

   let s1 = String::from("hello");
   let s2 = s1.clone(); // 深拷贝，s1 和 s2 均有效
   

三、函数与所有权

1. 传参与返回值
   • 传参时所有权可能被转移：

   fn take_ownership(s: String) { /* ... */ }
   let s = String::from("hello");
   take_ownership(s); // s 的所有权转移给函数
   // s 不再可用
   

   • 函数返回时转移所有权：

   fn create_string() -> String {
       String::from("new")
   }
   let s = create_string(); // 所有权转移到 s
   

四、引用与借用机制

1. 不可变引用（&T）
   • 允许只读访问数据，不转移所有权。 • 同一作用域内可存在多个不可变引用：

   let s = String::from("hello");
   let r1 = &s;
   let r2 = &s;
   println!("{} {}", r1, r2); // 允许
   

2. 可变引用（&mut T）
   • 允许修改数据，同一时刻仅允许一个可变引用。 • 不可与不可变引用共存：

   let mut s = String::from("hello");
   let r1 = &mut s;
   // let r2 = &mut s; // 编译错误：同一作用域只能有一个可变引用
   // let r3 = &s;     // 编译错误：不可变与可变引用共存
   

3. 借用规则（借用检查器）
   • 规则一：任意时刻，要么只能有一个可变引用，要么有多个不可变引用。 • 规则二：所有引用必须始终有效（避免悬垂引用）。

五、避免悬垂引用

1. 生命周期保证
   Rust 编译器确保引用不会指向已释放的内存：

   // 错误示例：返回局部变量的引用
   fn dangle() -> &String {
       let s = String::from("hello");
       &s // 编译错误：s 离开作用域后被释放
   }
   // 正确做法：返回所有权
   fn no_dangle() -> String {
       String::from("hello")
   }
   

六、引用作用域优化（NLL）

1. Non-Lexical Lifetimes (NLL)
   • 引用作用域在最后一次使用时结束（而非花括号结束）。 • 允许更灵活的借用：

   let mut s = String::from("hello");
   let r1 = &s;
   let r2 = &s;
   println!("{} {}", r1, r2); // r1、r2 作用域结束
   let r3 = &mut s; // 允许，因为 r1 和 r2 已不再使用
   

关键总结

通过所有权和借用机制，Rust 在编译期解决了内存安全问题，同时兼顾性能与灵活性。