Rust学习：5_所有权与借用
Rust学习：5_所有权与借用
前言
为了学习Rust，阅读了github上的Rust By Practice电子书，本文章只是用来记录自己的学习过程，感兴趣的可以阅读原书，希望大家都能掌握Rust！
所有权与借用
Rust 之所以能成为万众瞩目的语言，就是因为其内存安全性。在以往，内存安全几乎都是通过 GC 的方式实现，但是 GC 会引来性能、内存占用以及 Stop the world 等问题，在高性能场景和系统编程上是不可接受的，因此 Rust 采用了与(错)众(误)不(之)同(源)的方式：所有权系统。
理解所有权和借用，对于 Rust 学习是至关重要的，因此我们把本章提到了非常靠前的位置，So，骚年们，准备好迎接狂风暴雨了嘛？
从现在开始，鉴于大家已经掌握了非常基本的语法，有些时候，在示例代码中，将省略 fn main() {} 的模版代码，只要将相应的示例放在 fn main() {} 中，即可运行。
概念解析——所有权
所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成了重中之重，也是所有编程语言设计的难点之一。在计算机语言不断演变过程中，出现了三种流派：
- 垃圾回收机制(GC)，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：Java、Go
- 手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++
- 通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查
其中 Rust 选择了第三种，最妙的是，这种检查只发生在编译期，因此对于程序运行期，不会有任何性能上的损失。
由于所有权是一个新概念，因此读者需要花费一些时间来掌握它，一旦掌握，海阔天空任你飞跃，在本章，我们将通过 字符串 来引导讲解所有权的相关知识。
一段不安全的代码
先来看看一段来自 C 语言的糟糕代码：
int* foo() {
int a; // 变量a的作用域开始
a = 100;
char *c = "xyz"; // 变量c的作用域开始
return &a;
} // 变量a和c的作用域结束
这段代码虽然可以编译通过，但是其实非常糟糕，变量 a 和 c 都是局部变量，函数结束后将局部变量 a 的地址返回，但局部变量 a 存在栈中，在离开作用域后，a 所申请的栈上内存都会被系统回收，从而造成了 悬空指针(Dangling Pointer) 的问题。这是一个非常典型的内存安全问题，虽然编译可以通过，但是运行的时候会出现错误, 很多编程语言都存在。
再来看变量 c，c 的值是常量字符串，存储于常量区，可能这个函数我们只调用了一次，也可能我们不再会使用这个字符串，但 "xyz" 只有当整个程序结束后系统才能回收这片内存。
所以内存安全问题，一直都是程序员非常头疼的问题，好在, 在 Rust 中这些问题即将成为历史，因为 Rust 在编译的时候就可以帮助我们发现内存不安全的问题，那 Rust 如何做到这一点呢？
在正式进入主题前，先来一个预热知识。
栈(Stack)与堆(Heap)
栈和堆是编程语言最核心的数据结构，但是在很多语言中，你并不需要深入了解栈与堆。 但对于 Rust 这样的系统编程语言，值是位于栈上还是堆上非常重要, 因为这会影响程序的行为和性能。
栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。
栈
栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值，这也被称作后进先出。想象一下一叠盘子：当增加更多盘子时，把它们放在盘子堆的顶部，当需要盘子时，再从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子！
增加数据叫做进栈，移出数据则叫做出栈。
因为上述的实现方式，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间，假设数据大小是未知的，那么在取出数据时，你将无法取到你想要的数据。
堆
与栈不同，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上。
当向堆上放入数据时，需要请求一定大小的内存空间。操作系统在堆的某处找到一块足够大的空位，把它标记为已使用，并返回一个表示该位置地址的指针, 该过程被称为在堆上分配内存，有时简称为 “分配”(allocating)。
接着，该指针会被推入栈中，因为指针的大小是已知且固定的，在后续使用过程中，你将通过栈中的指针，来获取数据在堆上的实际内存位置，进而访问该数据。
由上可知，堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭: 进入餐馆，告知服务员有几个人，然后服务员找到一个够大的空桌子（堆上分配的内存空间）并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过桌号（栈上的指针）来找到你们坐在哪。
性能区别
写入方面：入栈比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备。
读取方面：得益于 CPU 高速缓存，使得处理器可以减少对内存的访问，高速缓存和内存的访问速度差异在 10 倍以上！栈数据往往可以直接存储在 CPU 高速缓存中，而堆数据只能存储在内存中。访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须先访问栈再通过栈上的指针来访问内存。
因此，处理器处理和分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。
所有权与堆栈
当你的代码调用一个函数时，传递给函数的参数（包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量）依次被压入栈中，当函数调用结束时，这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。
因为堆上的数据缺乏组织，因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的，否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。
对于其他很多编程语言，你确实无需理解堆栈的原理，但是在 Rust 中，明白堆栈的原理，对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助。
所有权原则
理解了堆栈，接下来看一下关于所有权的规则，首先请谨记以下规则：
- Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者
- 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者
- 当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)
变量作用域
作用域是一个变量在程序中有效的范围, 假如有这样一个变量：
let s = "hello"
变量 s 绑定到了一个字符串字面值，该字符串字面值是硬编码到程序代码中的。s 变量从声明的点开始直到当前作用域的结束都是有效的：
{ // s 在这里无效，它尚未声明
let s = "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
简而言之，s 从创建伊始就开始有效，然后有效期持续到它离开作用域为止，可以看出，就作用域来说，Rust 语言跟其他编程语言没有区别。
简单介绍 String 类型
之前提到过，本章会用 String 作为例子，因此这里会进行一下简单的介绍，具体的 String 学习请参见 String 类型。
我们已经见过字符串字面值 let s ="hello"，s 是被硬编码进程序里的字符串值（类型为 &str ）。字符串字面值是很方便的，但是它并不适用于所有场景。原因有二：
- 字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中
- 并非所有字符串的值都能在编写代码时得知
例如，字符串是需要程序运行时，通过用户动态输入然后存储在内存中的，这种情况，字符串字面值就完全无用武之地。 为此，Rust 为我们提供动态字符串类型: String, 该类型被分配到堆上，因此可以动态伸缩，也就能存储在编译时大小未知的文本。
可以使用下面的方法基于字符串字面量来创建 String 类型：
let s = String::from("hello");
:: 是一种调用操作符，这里表示调用 String 中的 from 方法，因为 String 存储在堆上是动态的，你可以这样修改它：
let mut s = String::from("hello");
s.push_str(", world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值
println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`
言归正传，了解 String 内容后，一起来看看关于所有权的交互。
变量绑定背后的数据交互
转移所有权
先来看一段代码：
let x = 5;
let y = x;
代码背后的逻辑很简单, 将 5 绑定到变量 x；接着拷贝 x 的值赋给 y，最终 x 和 y 都等于 5，因为整数是 Rust 基本数据类型，是固定大小的简单值，因此这两个值都是通过自动拷贝的方式来赋值的，都被存在栈中，完全无需在堆上分配内存。
可能有同学会有疑问：这种拷贝不消耗性能吗？实际上，这种栈上的数据足够简单，而且拷贝非常非常快，只需要复制一个整数大小（i32，4 个字节）的内存即可，因此在这种情况下，拷贝的速度远比在堆上创建内存来得快的多。实际上，上一章我们讲到的 Rust 基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的，就像上面代码一样。
然后再来看一段代码：
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;
此时，可能某个大聪明(善意昵称)已经想到了：嗯，把 s1 的内容拷贝一份赋值给 s2，实际上，并不是这样。之前也提到了，对于基本类型（存储在栈上），Rust 会自动拷贝，但是 String 不是基本类型，而且是存储在堆上的，因此不能自动拷贝。
实际上， String 类型是一个复杂类型，由存储在栈中的堆指针、字符串长度、字符串容量共同组成，其中堆指针是最重要的，它指向了真实存储字符串内容的堆内存，至于长度和容量，如果你有 Go 语言的经验，这里就很好理解：容量是堆内存分配空间的大小，长度是目前已经使用的大小。
总之 String 类型指向了一个堆上的空间，这里存储着它的真实数据, 下面对上面代码中的 let s2 = s1 分成两种情况讨论：
- 拷贝
String和存储在堆上的字节数组 如果该语句是拷贝所有数据(深拷贝)，那么无论是String本身还是底层的堆上数据，都会被全部拷贝，这对于性能而言会造成非常大的影响 - 只拷贝
String本身 这样的拷贝非常快，因为在 64 位机器上就拷贝了8字节的指针、8字节的长度、8字节的容量，总计 24 字节，但是带来了新的问题，还记得我们之前提到的所有权规则吧？其中有一条就是：一个值只允许有一个所有者，而现在这个值（堆上的真实字符串数据）有了两个所有者：s1和s2。
好吧，就假定一个值可以拥有两个所有者，会发生什么呢？
当变量离开作用域后，Rust 会自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过由于两个 String 变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s1 和 s2 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。
因此，Rust 这样解决问题：当 s1 赋予 s2 后，Rust 认为 s1 不再有效，因此也无需在 s1 离开作用域后 drop 任何东西，这就是把所有权从 s1 转移给了 s2，s1 在被赋予 s2 后就马上失效了。
再来看看，在所有权转移后再来使用旧的所有者，会发生什么：
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;
println!("{}, world!", s1);
由于 Rust 禁止你使用无效的引用，你会看到以下的错误：
error[E0382]: use of moved value: `s1`
--> src/main.rs:5:28
|
3 | let s2 = s1;
| -- value moved here
4 |
5 | println!("{}, world!", s1);
| ^^ value used here after move
|
= note: move occurs because `s1` has type `std::string::String`, which does
not implement the `Copy` trait
现在再回头看看之前的规则，相信大家已经有了更深刻的理解：
- Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者
- 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者
- 当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)
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听起来就像浅拷贝，但是又因为 Rust 同时使第一个变量 s1 无效了，因此这个操作被称为 移动(move)，而不是浅拷贝。上面的例子可以解读为 s1 被移动到了 s2 中。那么具体发生了什么，用一张图简单说明：
这样就解决了我们之前的问题，s1 不再指向任何数据，只有 s2 是有效的，当 s2 离开作用域，它就会释放内存。 相信此刻，你应该明白了，为什么 Rust 称呼 let a = b 为变量绑定了吧？
再来看一段代码:
fn main() {
let x: &str = "hello, world";
let y = x;
println!("{},{}",x,y);
}
// 结果
hello, world,hello, world
这段代码，大家觉得会否报错？如果参考之前的 String 所有权转移的例子，那这段代码也应该报错才是，但是实际上呢？
这段代码和之前的 String 有一个本质上的区别：在 String 的例子中 s1 持有了通过String::from("hello") 创建的值的所有权，而这个例子中，x 只是引用了存储在二进制中的字符串 "hello, world"，并没有持有所有权。
因此 let y = x 中，仅仅是对该引用进行了拷贝，此时 y 和 x 都引用了同一个字符串。如果还不理解也没关系，当学习了下一章节 “引用与借用” 后，大家自然而言就会理解。
克隆(深拷贝)
首先，Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何自动的复制都不是深拷贝，可以被认为对运行时性能影响较小。
如果我们确实需要深度复制 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 的方法。
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();
println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
这段代码能够正常运行，因此说明 s2 确实完整的复制了 s1 的数据。
如果代码性能无关紧要，例如初始化程序时，或者在某段时间只会执行一次时，你可以使用 clone 来简化编程。但是对于执行较为频繁的代码(热点路径)，使用 clone 会极大的降低程序性能，需要小心使用！
拷贝(浅拷贝)
浅拷贝只发生在栈上，因此性能很高，在日常编程中，浅拷贝无处不在。
再回到之前看过的例子:
let x = 5;
let y = x;
println!("x = {}, y = {}", x, y);
但这段代码似乎与我们刚刚学到的内容相矛盾：没有调用 clone，不过依然实现了类似深拷贝的效果 —— 没有报所有权的错误。
原因是像整型这样的基本类型在编译时是已知大小的，会被存储在栈上，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（x、y 都仍然有效）。换句话说，这里没有深浅拷贝的区别，因此这里调用 clone 并不会与通常的浅拷贝有什么不同，我们可以不用管它（可以理解成在栈上做了深拷贝）。
Rust 有一个叫做 Copy 的特征，可以用在类似整型这样在栈中存储的类型。如果一个类型拥有 Copy 特征，一个旧的变量在被赋值给其他变量后仍然可用。
那么什么类型是可 Copy 的呢？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： 任何基本类型的组合可以 Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以 Copy 的。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是
Copy的时候。比如，(i32, i32)是Copy的，但(i32, String)就不是。 - 不可变引用
&T，例如转移所有权中的最后一个例子，但是注意: 可变引用&mut T是不可以 Copy的
函数传值与返回
将值传递给函数，一样会发生 移动 或者 复制，就跟 let 语句一样，下面的代码展示了所有权、作用域的规则：
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，
// 所以不会有特殊操作
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。不会有特殊操作
你可以尝试在 takes_ownership 之后，再使用 s，看看如何报错？例如添加一行 println!("在move进函数后继续使用s: {}",s);。
同样的，函数返回值也有所有权，例如:
fn main() {
let s1 = gives_ownership(); // gives_ownership 将返回值
// 移给 s1
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 移出作用域并被丢弃
fn gives_ownership() -> String { // gives_ownership 将返回值移动给
// 调用它的函数
let some_string = String::from("hello"); // 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
}
所有权很强大，避免了内存的不安全性，但是也带来了一个新麻烦： 总是把一个值传来传去来使用它。 传入一个函数，很可能还要从该函数传出去，结果就是语言表达变得非常啰嗦，幸运的是，Rust 提供了新功能解决这个问题。
Exercises(所有权)
1.
fn main() {
// 使用尽可能多的方法来通过编译
let x = String::from("hello, world");
let y = x;
println!("{},{}",x,y);
}
✅修改1：
fn main() {
// 使用尽可能多的方法来通过编译
let x = String::from("hello, world");
let y = x.clone();
println!("{},{}",x,y);
}
✅修改2：
fn main() {
// 使用尽可能多的方法来通过编译
let x = "hello, world";
let y = x;
println!("{},{}",x,y);
}
2.
// 不要修改 main 中的代码
fn main() {
let s1 = String::from("hello, world");
let s2 = take_ownership(s1);
println!("{}", s2);
}
// 只能修改下面的代码!
fn take_ownership(s: String) {
println!("{}", s);
}
✅修改：
// 不要修改 main 中的代码
fn main() {
let s1 = String::from("hello, world");
let s2 = take_ownership(s1);
println!("{}", s2);
}
// 只能修改下面的代码!
fn take_ownership(s: String) -> String{
println!("{}", s);
s
}
3.
fn main() {
let s = give_ownership();
println!("{}", s);
}
// 只能修改下面的代码!
fn give_ownership() -> String {
let s = String::from("hello, world");
// convert String to Vec
// 将 String 转换成 Vec 类型
let _s = s.into_bytes();
s
}
✅修改：
fn main() {
let s = give_ownership();
println!("{}", s);
}
// 只能修改下面的代码!
fn give_ownership() -> String {
let s = String::from("hello, world");
s
}
4.
// 修复错误，不要删除任何代码行
fn main() {
let s = String::from("hello, world");
print_str(s);
println!("{}", s);
}
fn print_str(s: String) {
println!("{}",s)
}
✅修改：
// 修复错误，不要删除任何代码行
fn main() {
let s = String::from("hello, world");
print_str(s.clone());
println!("{}", s);
}
fn print_str(s: String) {
println!("{}",s)
}
5.
// 不要使用 clone，使用 copy 的方式替代
fn main() {
let x = (1, 2, (), "hello".to_string());
let y = x.clone();
println!("{:?}, {:?}", x, y);
}
✅修改：
// 不要使用 clone，使用 copy 的方式替代
fn main() {
let x = (1, 2, (), "hello");
let y = x;
println!("{:?}, {:?}", x, y);
}
6.
fn main() {
let s = String::from("hello, ");
// 只修改下面这行代码 !
let s1 = s;
s1.push_str("world")
}
✅修改：
fn main() {
let s = String::from("hello, ");
// 只修改下面这行代码 !
let mut s1 = s;
s1.push_str("world");
}
7.
fn main() {
let x = Box::new(5);
let ... // 完成该行代码，不要修改其它行！
*y = 4;
assert_eq!(*x, 5);
}
Rust 中的所有值默认都是堆栈分配的。可以通过创建 Box将值装箱（在堆上分配）。Box是指向 T 类型堆分配值的智能指针。当盒子超出范围时，它的析构函数被调用，内部对象被销毁，堆上的内存被释放。
可以使用 * 运算符取消引用Box的值；这消除了一层间接性。
✅修改：
fn main() {
let x = Box::new(5);
let mut y = Box::new(3); // 完成该行代码，不要修改其它行！
*y = 4;
assert_eq!(*x, 5);
}
部分 move
当解构一个变量时，可以同时使用 move 和引用模式绑定的方式。当这么做时，部分 move 就会发生：变量中一部分的所有权被转移给其它变量，而另一部分我们获取了它的引用。
在这种情况下，原变量将无法再被使用，但是它没有转移所有权的那一部分依然可以使用，也就是之前被引用的那部分。
示例
fn main() {
#[derive(Debug)]
struct Person {
name: String,
age: Box<u8>,
}
let person = Person {
name: String::from("Alice"),
age: Box::new(20),
};
// 通过这种解构式模式匹配，person.name 的所有权被转移给新的变量 `name`
// 但是，这里 `age` 变量确是对 person.age 的引用, 这里 ref 的使用相当于: let age = &person.age
let Person { name, ref age } = person;
println!("The person's age is {}", age);
println!("The person's name is {}", name);
// Error! 原因是 person 的一部分已经被转移了所有权，因此我们无法再使用它
//println!("The person struct is {:?}", person);
// 虽然 `person` 作为一个整体无法再被使用，但是 `person.age` 依然可以使用
println!("The person's age from person struct is {}", person.age);
}
8.
fn main() {
let t = (String::from("hello"), String::from("world"));
let _s = t.0;
// 仅修改下面这行代码，且不要使用 `_s`
println!("{:?}", t);
}
✅修改：
fn main() {
let t = (String::from("hello"), String::from("world"));
let _s = t.0.clone();
// 仅修改下面这行代码，且不要使用 `_s`
println!("{:?}", t);
}
9.
fn main() {
let t = (String::from("hello"), String::from("world"));
// 填空，不要修改其它代码
let (__, __) = __;
println!("{:?}, {:?}, {:?}", s1, s2, t); // -> "hello", "world", ("hello", "world")
}
✅修改：
fn main() {
let t = (String::from("hello"), String::from("world"));
// 填空，不要修改其它代码
let (s1, s2) = (t.0.clone(), t.1.clone());
println!("{:?}, {:?}, {:?}", s1, s2, t); // -> "hello", "world", ("hello", "world")
}
概念解析——引用与借用
上节中提到，如果仅仅支持通过转移所有权的方式获取一个值，那会让程序变得复杂。 Rust 能否像其它编程语言一样，使用某个变量的指针或者引用呢？答案是可以。
Rust 通过 借用(Borrowing) 这个概念来达成上述的目的，获取变量的引用，称之为借用(borrowing)。正如现实生活中，如果一个人拥有某样东西，你可以从他那里借来，当使用完毕后，也必须要物归原主。
引用与解引用
常规引用是一个指针类型，指向了对象存储的内存地址。在下面代码中，我们创建一个 i32 值的引用 y，然后使用解引用运算符来解出 y 所使用的值:
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}
变量 x 存放了一个 i32 值 5。y 是 x 的一个引用。可以断言 x 等于 5。然而，如果希望对 y 的值做出断言，必须使用 *y 来解出引用所指向的值（也就是解引用）。一旦解引用了 y，就可以访问 y 所指向的整型值并可以与 5 做比较。
相反如果尝试编写 assert_eq!(5, y);，则会得到如下编译错误：
error[E0277]: can't compare `{integer}` with `&{integer}`
--> src/main.rs:6:5
|
6 | assert_eq!(5, y);
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^ no implementation for `{integer} == &{integer}` // 无法比较整数类型和引用类型
|
= help: the trait `std::cmp::PartialEq<&{integer}>` is not implemented for
`{integer}`
不允许比较整数与引用，因为它们是不同的类型。必须使用解引用运算符解出引用所指向的值。
不可变引用
下面的代码，我们用 s1 的引用作为参数传递给 calculate_length 函数，而不是把 s1 的所有权转移给该函数：
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s1);
println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}
fn calculate_length(s: &String) -> usize {
s.len()
}
//结果
The length of 'hello' is 5.
能注意到两点：
- 无需像上章一样：先通过函数参数传入所有权，然后再通过函数返回来传出所有权，代码更加简洁
calculate_length的参数s类型从String变为&String
这里，& 符号即是引用，它们允许你使用值，但是不获取所有权，如图所示：
通过 &s1 语法，我们创建了一个指向 s1 的引用，但是并不拥有它。因为并不拥有这个值，当引用离开作用域后，其指向的值也不会被丢弃。
同理，函数 calculate_length 使用 & 来表明参数 s 的类型是一个引用：
fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s 是对 String 的引用
s.len()
} // 这里，s 离开了作用域。但因为它并不拥有引用值的所有权，
// 所以什么也不会发生
人总是贪心的，可以拉女孩小手了，就想着抱抱柔软的身子（读者中的某老司机表示，这个流程完全不对），因此光借用已经满足不了我们了，如果尝试修改借用的变量呢？
fn main() {
let s = String::from("hello");
change(&s);
}
fn change(some_string: &String) {
some_string.push_str(", world");
}
很不幸，妹子你没抱到，哦口误，你修改错了：
error[E0596]: cannot borrow `*some_string` as mutable, as it is behind a `&` reference
--> src/main.rs:8:5
|
7 | fn change(some_string: &String) {
| ------- help: consider changing this to be a mutable reference: `&mut String`
------- 帮助：考虑将该参数类型修改为可变的引用: `&mut String`
8 | some_string.push_str(", world");
| ^^^^^^^^^^^ `some_string` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
`some_string`是一个`&`类型的引用，因此它指向的数据无法进行修改
正如变量默认不可变一样，引用指向的值默认也是不可变的，没事，来一起看看如何解决这个问题。
可变引用
只需要一个小调整，即可修复上面代码的错误：
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
change(&mut s);
}
fn change(some_string: &mut String) {
some_string.push_str(", world");
}
首先，声明 s 是可变类型，其次创建一个可变的引用 &mut s 和接受可变引用参数 some_string: &mut String 的函数。
可变引用同时只能存在一个
不过可变引用并不是随心所欲、想用就用的，它有一个很大的限制： 同一作用域，特定数据只能有一个可变引用：
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;
println!("{}, {}", r1, r2);
以上代码会报错：
error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time 同一时间无法对 `s` 进行两次可变借用
--> src/main.rs:5:14
|
4 | let r1 = &mut s;
| ------ first mutable borrow occurs here 首个可变引用在这里借用
5 | let r2 = &mut s;
| ^^^^^^ second mutable borrow occurs here 第二个可变引用在这里借用
6 |
7 | println!("{}, {}", r1, r2);
| -- first borrow later used here 第一个借用在这里使用
这段代码出错的原因在于，第一个可变借用 r1 必须要持续到最后一次使用的位置 println!，在 r1 创建和最后一次使用之间，我们又尝试创建第二个可变引用 r2。
对于新手来说，这个特性绝对是一大拦路虎，也是新人们谈之色变的编译器 borrow checker 特性之一，不过各行各业都一样，限制往往是出于安全的考虑，Rust 也一样。
这种限制的好处就是使 Rust 在编译期就避免数据竞争，数据竞争可由以下行为造成：
- 两个或更多的指针同时访问同一数据
- 至少有一个指针被用来写入数据
- 没有同步数据访问的机制
数据竞争会导致未定义行为，这种行为很可能超出我们的预期，难以在运行时追踪，并且难以诊断和修复。而 Rust 避免了这种情况的发生，因为它甚至不会编译存在数据竞争的代码！
很多时候，大括号可以帮我们解决一些编译不通过的问题，通过手动限制变量的作用域：
let mut s = String::from("hello");
{
let r1 = &mut s;
} // r1 在这里离开了作用域，所以我们完全可以创建一个新的引用
let r2 = &mut s;
可变引用与不可变引用不能同时存在
下面的代码会导致一个错误：
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 没问题
let r2 = &s; // 没问题
let r3 = &mut s; // 大问题
println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
错误如下：
error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
// 无法借用可变 `s` 因为它已经被借用了不可变
--> src/main.rs:6:14
|
4 | let r1 = &s; // 没问题
| -- immutable borrow occurs here 不可变借用发生在这里
5 | let r2 = &s; // 没问题
6 | let r3 = &mut s; // 大问题
| ^^^^^^ mutable borrow occurs here 可变借用发生在这里
7 |
8 | println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
| -- immutable borrow later used here 不可变借用在这里使用
其实这个也很好理解，正在借用不可变引用的用户，肯定不希望他借用的东西，被另外一个人莫名其妙改变了。多个不可变借用被允许是因为没有人会去试图修改数据，每个人都只读这一份数据而不做修改，因此不用担心数据被污染。
注意，引用的作用域
s从创建开始，一直持续到它最后一次使用的地方，这个跟变量的作用域有所不同，变量的作用域从创建持续到某一个花括号}
Rust 的编译器一直在优化，早期的时候，引用的作用域跟变量作用域是一致的，这对日常使用带来了很大的困扰，你必须非常小心的去安排可变、不可变变量的借用，免得无法通过编译，例如以下代码：
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s;
let r2 = &s;
println!("{} and {}", r1, r2);
// 新编译器中，r1,r2作用域在这里结束
let r3 = &mut s;
println!("{}", r3);
} // 老编译器中，r1、r2、r3作用域在这里结束
// 新编译器中，r3作用域在这里结束
在老版本的编译器中（Rust 1.31 前），将会报错，因为 r1 和 r2 的作用域在花括号 } 处结束，那么 r3 的借用就会触发 无法同时借用可变和不可变的规则。
但是在新的编译器中，该代码将顺利通过，因为 引用作用域的结束位置从花括号变成最后一次使用的位置，因此 r1 借用和 r2 借用在 println! 后，就结束了，此时 r3 可以顺利借用到可变引用。
NLL
对于这种编译器优化行为，Rust 专门起了一个名字 —— Non-Lexical Lifetimes(NLL)，专门用于找到某个引用在作用域(})结束前就不再被使用的代码位置。
虽然这种借用错误有的时候会让我们很郁闷，但是你只要想想这是 Rust 提前帮你发现了潜在的 BUG，其实就开心了，虽然减慢了开发速度，但是从长期来看，大幅减少了后续开发和运维成本。
悬垂引用(Dangling References）
悬垂引用也叫做悬垂指针，意思为指针指向某个值后，这个值被释放掉了，而指针仍然存在，其指向的内存可能不存在任何值或已被其它变量重新使用。在 Rust 中编译器可以确保引用永远也不会变成悬垂状态：当你拥有一些数据的引用，编译器可以确保数据不会在其引用之前被释放，要想释放数据，必须先停止其引用的使用。
让我们尝试创建一个悬垂引用，Rust 会抛出一个编译时错误：
fn main() {
let reference_to_nothing = dangle();
}
fn dangle() -> &String {
let s = String::from("hello");
&s
}
这里是错误：
error[E0106]: missing lifetime specifier
--> src/main.rs:5:16
|
5 | fn dangle() -> &String {
| ^ expected named lifetime parameter
|
= help: this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from
help: consider using the `'static` lifetime
|
5 | fn dangle() -> &'static String {
| ~~~~~~~~
错误信息引用了一个我们还未介绍的功能：生命周期(lifetimes)。不过，即使你不理解生命周期，也可以通过错误信息知道这段代码错误的关键信息：
this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from.
该函数返回了一个借用的值，但是已经找不到它所借用值的来源
仔细看看 dangle 代码的每一步到底发生了什么：
fn dangle() -> &String { // dangle 返回一个字符串的引用
let s = String::from("hello"); // s 是一个新字符串
&s // 返回字符串 s 的引用
} // 这里 s 离开作用域并被丢弃。其内存被释放。
// 危险！
因为 s 是在 dangle 函数内创建的，当 dangle 的代码执行完毕后，s 将被释放, 但是此时我们又尝试去返回它的引用。这意味着这个引用会指向一个无效的 String，这可不对！
其中一个很好的解决方法是直接返回 String：
fn no_dangle() -> String {
let s = String::from("hello");
s
}
这样就没有任何错误了，最终 String 的 所有权被转移给外面的调用者。
借用规则总结
总的来说，借用规则如下：
- 同一时刻，你只能拥有要么一个可变引用, 要么任意多个不可变引用
- 引用必须总是有效的
Exercises(引用与借用)
引用
1.
fn main() {
let x = 5;
// 填写空白处
let p = __;
println!("x 的内存地址是 {:p}", p); // output: 0x16fa3ac84
}
✅修改：
fn main() {
let x = 5;
// 填写空白处
let p = &x;
println!("x 的内存地址是 {:p}", p); // output: 0x16fa3ac84
}
2.
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
// 只能修改以下行
assert_eq!(5, y);
}
✅修改：
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
// 只能修改以下行
assert_eq!(5, *y);
}
3.
// 修复错误
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
borrow_object(s)
}
fn borrow_object(s: &String) {}
✅修改：
// 修复错误
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
borrow_object(&s);
}
fn borrow_object(s: &String){}
4.
// 修复错误
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
push_str(s)
}
fn push_str(s: &mut String) {
s.push_str("world")
}
✅修改：
注意：传入的实参&s中间需要加上mut
// 修复错误
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
push_str(&mut s)
}
fn push_str(s: &mut String) {
s.push_str("world")
}
5.
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
// 填写空白处，让代码工作
let p = __;
p.push_str("world");
}
✅修改：
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
// 填写空白处，让代码工作
let p = &mut s;
p.push_str("world");
}
ref
ref 与 & 类似，可以用来获取一个值的引用，但是它们的用法有所不同。
6.
fn main() {
let c = '中';
let r1 = &c;
// 填写空白处，但是不要修改其它行的代码
let __ r2 = c;
assert_eq!(*r1, *r2);
// 判断两个内存地址的字符串是否相等
assert_eq!(get_addr(r1),get_addr(r2));
}
// 获取传入引用的内存地址的字符串形式
fn get_addr(r: &char) -> String {
format!("{:p}", r)
}
✅修改：
fn main() {
let c = '中';
let r1 = &c;
// 填写空白处，但是不要修改其它行的代码
let ref r2 = c;
assert_eq!(*r1, *r2);
// 判断两个内存地址的字符串是否相等
assert_eq!(get_addr(r1),get_addr(r2));
}
// 获取传入引用的内存地址的字符串形式
fn get_addr(r: &char) -> String {
format!("{:p}", r)
}
借用规则
7.
// 移除代码某个部分，让它工作
// 你不能移除整行的代码！
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;
println!("{}, {}", r1, r2);
}
✅修改：
// 移除代码某个部分，让它工作
// 你不能移除整行的代码！
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s;
let r2 = &s;
println!("{}, {}", r1, r2);
}
可变性
8.错误: 从不可变对象借用可变
fn main() {
// 通过修改下面一行代码来修复错误
let s = String::from("hello, ");
borrow_object(&mut s)
}
fn borrow_object(s: &mut String) {}
✅修改：
fn main() {
// 通过修改下面一行代码来修复错误
let mut s = String::from("hello, ");
borrow_object(&mut s)
}
fn borrow_object(s: &mut String) {}
9.Ok: 从可变对象借用不可变
// 下面的代码没有任何错误
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
borrow_object(&s);
s.push_str("world");
}
fn borrow_object(s: &String) {}
NLL
10.
// 注释掉一行代码让它工作
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
let r1 = &mut s;
r1.push_str("world");
let r2 = &mut s;
r2.push_str("!");
println!("{}",r1);
}
✅修改：
// 注释掉一行代码让它工作
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
let r1 = &mut s;
r1.push_str("world");
let r2 = &mut s;
r2.push_str("!");
// println!("{}",r1);
}
11.
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;
// 在下面增加一行代码人为制造编译错误：cannot borrow `s` as mutable more than once at a time
// 你不能同时使用 r1 和 r2
}
✅修改：
备注：下面是错误的代码，因为在r1被释放之后仍然调用r1
fn main() {
let mut s = String::from("hello, ");
let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;
// 在下面增加一行代码人为制造编译错误：cannot borrow `s` as mutable more than once at a time
// 你不能同时使用 r1 和 r2
println!("{}",r1);
}
错误信息：
error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time
--> ex11.rs:5:14
|
4 | let r1 = &mut s;
| ------ first mutable borrow occurs here
5 | let r2 = &mut s;
| ^^^^^^ second mutable borrow occurs here
...
9 | println!("{}",r1);
| -- first borrow later used here
error: aborting due to previous error; 1 warning emitted
For more information about this error, try `rustc --explain E0499`.