Rust系列(一) 所有权和生命周期

一、rust基石

● 一个值在同一时刻只有一个所有者。当所有者离开作用域，其拥有的值会被丢弃。赋值或者传参会导致值 Move，所有权被转移，一旦所有权转移，之前的变量就不能访问。
● 如果值实现了 Copy trait，那么赋值或传参会使用 Copy 语义，相应的值会被按位拷贝（浅拷贝），产生新的值。
● 一个值可以有多个只读引用。
● 一个值可以有唯一一个活跃的可变引用。可变引用（写）和只读引用（读）是互斥的关系，就像并发下数据的读写互斥那样。
● 引用的生命周期不能超出值的生命周期。

二、智能指针

2.1 设计原因

rust 的基石是基于值的单一所有权进行内存管理。但规则总会有例外，对于需要共享的内存必须有一种方式可以绕过静态检查，以在运行时进行动态检查，rust 提供的方式就是智能指针。

2.2 Rc引用计数

std::rc::Rc

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let five = Rc::new(5);
    let five1 = five.clone();
    let five2 = five.clone();
    // 5, 5, 5
    println!("{}, {}, {}", five, five1, five2);
    // 0x1d756ecf760, 0x1d756ecf760, 0x1d756ecf760
    println!("{:p}, {:p}, {:p}", five, five1, five2);
}

对某个数据结构 T，我们可以创建引用计数 Rc，使其有多个所有者，Rc 会把对应的数据结构创建在堆上，后续可以通过 clone() 方法创建更多的所有者。
对一个 Rc 结构进行 clone()，不会将其内部的数据复制，只会增加引用计数。而当一个 Rc 结构离开作用域被 drop() 时，也只会减少其引用计数，直到引用计数为零，才会真正清除对应的内存。这个规则正好和上面示例中输出的结果相似。
问：为什么智能指针创建的内存不受到单一所有权的约束？在栈生命周期结束之后堆上的内存仍旧存在？

本质就是为什么引用计数可以跨越栈的生命周期存在的问题

可以先看一下下面这段 Rc::new函数的源码，虽然现在我还看不懂，

    #[cfg(not(no_global_oom_handling))]
    #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
    pub fn new(value: T) -> Rc<T> {
        // There is an implicit weak pointer owned by all the strong
        // pointers, which ensures that the weak destructor never frees
        // the allocation while the strong destructor is running, even
        // if the weak pointer is stored inside the strong one.
        unsafe {
            Self::from_inner(
                Box::leak(Box::new(RcBox { strong: Cell::new(1), weak: Cell::new(1), value }))
                    .into(),
            )
        }
    }

但我们可以看到，代码中使用了Box::leak方法，这个方法的主要作用是：该方法创建的对象，会从堆内存上泄漏出去，不受栈内存控制，是一个自由的、生命周期可以大到和整个进程的生命周期一致的对象。基于此，引用计数才能够像其他语言那样去动态的管理和使用内存。

2.3 基于Rc实现有向无环图(树)

让我们从比较简单的一个例子出发，先创建一个具有如图所示关系的三个节点：

use std::rc::Rc;

#[derive(Debug)]
struct Node {
    id: usize,
    next: Option<Rc<Node>>,
}

impl Node {
    pub fn new(id: usize) -> Self {
        Self {
            id,
            next: None,
        }
    }

    pub fn set_next(&mut self, next: Rc<Node>) {
        self.next = Some(next);
    }

    pub fn get_next(&self) -> Option<Rc<Node>> {
        let res = self.next.as_ref().map(|m| m.clone());
        res
    }
}

fn main() {
    let mut node1 = Node::new(1);
    let mut node2 = Node::new(2);
    let mut node3 = Node::new(3);
    // node1 and node2 都指向 node3
    node1.set_next(Rc::new(node3));
    node2.set_next(node1.get_next().unwrap());
    // 查看node1和node2的值
    // node1: Node { id: 1, next: Some(Node { id: 3, next: None }) }, node2: Node { id: 2, next: Some(Node { id: 3, next: None }) }
    println!("node1: {:?}, node2: {:?}", node1, node2);
    // 查看node1和node2的next的值
    // 0x18693ac01f0, 0x18693ac01f0
    println!("{:p}, {:p}", node1.get_next().unwrap(), node2.get_next().unwrap());
}

在上面的代码中我们根据上图所示的关系创建了三个节点，并输出了 node1 和 node2 的值，发现他们都指向 node3, 符合预期。同时我们打印出 node1 和 node2的 next 的值的地址发现他们也都指向相同的地址，这和我们对 Rc 智能指针的期盼作用一致。

2.4 RefCell解决Rc的局限性

上面的代码看起来好像没什么问题，但假如现在要通过 node2 指向的next指针修改 node3 的值，此时会发生什么情况？
可以将下面这段代码加入到上面 main 函数的末尾，

    let mut node4 = Node::new(4);
    let node3_ =  node2.get_next().unwrap();
    node3_.set_next(Rc::new(node4));
    println!("{:?}", node3_);

然后你会发现编译器提示：Cannot borrow immutable local variable node3_ as mutable 。这是因为 Rc 是一个只读的引用计数器，你无法拿到 Rc 结构内部数据的可变引用，来修改这个数据。此时就需要用到 RefCell，和 Rc 类似，RefCell 也绕过了 Rust 编译器的静态检查，允许我们在运行时，对某个只读数据进行可变借用。

RefCell的根基：内部可变性

内部可变性指的是，有时候希望可以绕开编译器的外部可变性检查，对于未声明成 mut 的值或者引用，也可以进行修改。即在编译器的眼里，值是只读的，但是在运行时，这个值可以得到可变借用，从而修改内部的数据。下面是一个使用示例：

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let data = RefCell::new(1);
    {
        // 使用{}，提前结束RefCell可变借用的生命周期的原因是：
        // 不允许在同一生命周期同时存在可变借用和不可变借用，避免下面的data.borrow()报错
        let mut v = data.borrow_mut();
        println!("{:?}", v); // 1
        *v += 1;
        println!("{:?}", v); // 2
    }
    // 2
    println!("{:?}", data.borrow());
}

RefCell重构DAG的代码

use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

#[derive(Debug)]
struct Node {
    id: usize,
    next: Option<Rc<RefCell<Node>>>,
}

impl Node {
    pub fn new(id: usize) -> Self {
        Self {
            id,
            next: None,
        }
    }

    pub fn set_next(&mut self, next: Rc<RefCell<Node>>) {
        self.next = Some(next);
    }

    pub fn get_next(&self) -> Option<Rc<RefCell<Node>>> {
        let res = self.next.as_ref().map(|m| m.clone());
        res
    }
}

fn main() {
    let mut node1 = Node::new(1);
    let mut node2 = Node::new(2);
    let mut node3 = Node::new(3);
    // node1 and node2 都指向 node3
    node1.set_next(Rc::new(RefCell::new(node3)));
    node2.set_next(node1.get_next().unwrap());
    // 查看node1和node2的值
    // node1: Node { id: 1, next: Some(RefCell { value: Node { id: 3, next: None } }) }, node2: Node { id: 2, next: Some(RefCell { value: Node { id: 3, next: None } }) }
    println!("node1: {:?}, node2: {:?}", node1, node2);
    // 查看node1和node2的next的值
    // 0x20764c2ffe0, 0x20764c2ffe0
    println!("{:p}, {:p}", node1.get_next().unwrap(), node2.get_next().unwrap());

    // 校验内部可变性
    let mut node4 = Node::new(4);
    let node3_ = node2.get_next().unwrap();
    node3_.borrow_mut().set_next(Rc::new(RefCell::new(node4)));
    // RefCell { value: Node { id: 3, next: Some(RefCell { value: Node { id: 4, next: None } }) } }
    println!("{:?}", node3_);
}

编译通过，通过使用Rc>这样的嵌套结构，DAG 可以正常修改了。

2.5 Arc 和 Mutex/RwLock

Rc和RefCell在线程独占内存的情况下，实现引用计数和内部可变性，使得 rust 的内存使用像其他语言一样灵活。但是它们都不是线程安全的，即 Rc不是线程安全的引用计数器，RefCell也不能线程安全的使用内部可变性。好在 rust 为我们提供了解决方案。

线程安全的引用计数-Arc

Arc 内部的引用计数使用了 Atomic Usize ，而非普通的 usize。从名称上也可以感觉出来，Atomic Usize 是 usize 的原子类型，它使用了 CPU 的特殊指令，来保证多线程下的安全。如果对原子类型感兴趣，可以看 std::sync::atomic 的文档。

线程安全的Mutex 和 RwLock

如果我们要在多线程中，使用内部可变性，Rust 提供了 Mutex 和 RwLock。Mutex 和 RwLock 都用在多线程环境下，对共享数据访问的保护上。刚才构建的 DAG 如果要用在多线程环境下，需要把 Rc> 替换为 Arc> 或者 Arc>。

三、生命周期标注

这一块的内容算是 rust 所服务于单一所有权的独特设计了，我试图在 cpp/java 中寻找类似的概念，但没有发现。

rust 要求对于函数的返回值在编译期间就确定生命周期，默认情况下，编译器会为我们自动标注生命周期，其规则如下：
● 所有引用类型的参数都有独立的生命周期 'a 、'b 等。
● 如果只有一个引用型输入，它的生命周期会赋给所有输出。
● 如果有多个引用类型的参数，其中一个是 self，那么它的生命周期会赋给所有输出。

但是当一个函数有多个引用类型的参数，且输出依赖于输入的时候（即输出可能是输入的借用，而不是新建的值的时候），如这段代码所示：

fn main() {
    let s1 = String::from("Lindsey");
    let s2 = String::from("Rosie");

    let result = max(&s1, &s2);

    println!("bigger one: {}", result);
}

fn max(s1: &str, s2: &str) -> &str {
    if s1 > s2 {
        s1
    } else {
        s2
    }
}

此时编译器无法确定输出值的生命周期是s1还是s2的生命周期，所以需要人工介入进行标注，将上面的代码修改为下面这样既可以通过编译：

fn main() {
    let s1 = String::from("Lindsey");
    let s2 = String::from("Rosie");

    let result = max(&s1, &s2);

    println!("bigger one: {}", result);
}

fn max<'a>(s1: &'a str, s2: &'a str) -> &'a str {
    if s1 > s2 {
        s1
    } else {
        s2
    }
}

3.1 函数标注规则

如 fn max<'a>(s1: &'a str, s2: &'a str) -> &'a str 所示

3.2 结构体标注规则

如下，需要注意标注数据结构时，数据结构自身的生命周期，需要小于等于其内部字段的所有引用的生命周期。

struct Employee<'a, 'b> {
  name: &'a str,
  title: &'b str,
  age: u8,
}

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