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【Rust自学】4.4. 引用与借用

news 2024/12/23 11:16:52

4.4.0 写在正文之前

这一节的内容其实就相当于C++的智能指针移动语义在编译器层面做了一些约束。Rust中引用的写法通过编译器的约束写成了C++中最理想、最规范的指针写法。所以学过C++的人对这一章肯定会非常熟悉。

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4.4.1. 引用

引用让函数使用某个值而不获得其所有权，声明时在类型前加上&即代表引用。例如String的引用就是&String。如果学过C++的话，C++中的解引用符号是*，Rust中也是一样的。

学了引用之后，就可以把上一篇文章最后的示例代码给简化

这是先前的代码：

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, uszie) {let length = s.len();(s, length)
}

这是修改后的代码：

fn main(){let s1 = String::from("hello");let length = calculate_length(&s1);println!("The length of '{}' is {}", s1, length);
}fn calculate_length(s:&String) -> usize {s.len()
}

对比两者，后者中数据的指针被传入函数calculate_length供其操作，而数据所有权依然在变量s1上。不需要返回元组，也不需要再声明一个变量s2，更加简洁。

函数calculate_length的参数s实际上是一个指针，指向s所在栈内存位置（不会直接指向堆内存中的数据）。这个指针在走出作用域时，Rust并不会消除其指向的数据（因为s没有所有权），只会弹出栈上所存储的指针信息，也就是释放下图中的最左侧的部分所占的内存。
请添加图片描述

这种以引用作为函数的参数叫做借用

4.4.2. 借用的特性

借用的内容是不能被修改的，除非是可变引用

以房产为例：你把自己有房产权的房子租给别人就是借用，租户只能住不能乱装修，这就是借用的内容不能被修改的特性；如果你允许租客装修，这就是可变引用。

以这个代码为例：

fn main(){let s1 = String::from("hello");let length = calculate_length(&s1);println!("The length of '{}' is {}", s1, length);
}fn calculate_length(s:&String) -> usize {s.push_str(", world");s.len()
}

在编译时这个代码会报错:

error[E0596]: cannot borrow `*s` as mutable, as it is behind a `&` reference

报错的原因在于s.push_str(", world");这一行：引用默认是不可变的，但这一行修改了其数据内容。

引用跟普通的变量声明一样，默认不可变，但加上mut关键字后就可变了：

fn main(){let mut s1 = String::from("hello");let length = calculate_length(&mut s1);println!("The length of '{}' is {}", s1, length);
}fn calculate_length(s:&mut String) -> usize {s.push_str(", world");s.len()
}

这样写就不会报错了（但记得在声明s1时把s1声明为可变变量）

这种可以修改数据内容的引用就叫做可变引用

4.4.3. 可变引用的限制

可变引用有两个非常重要的限制，其一是：在特定作用域内，对某一块数据，只能有一个可变的引用。

以这个代码为例：

fn main() {let mut s = String::from("hello");let s1 = &mut s;let s2 = &mut s;
}

因为s1和s2都是指向s的可变引用，且在同一个作用域内，所以在编译时会报错：

error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time

这么做的目的是防止数据竞争，以下三种条件同时满足时会发生数据竞争：

两个或多个指针同时访问同一个数据
至少有一个指针用于写入数据
没有使用任何机制来同步对数据的访问

在报错信息中提及了at a time,意思为同时（也就是在同一个作用域内）。所以说，只要不同时，也就是两个可变引用在不同的作用域指向同一块数据是可以的。下面的代码就体现了这一点：

fn main() {let mut s = String::from("hello");{let s1 = &mut s;}let s2 = &mut s;
}

s1和s2作用域不相同，所以指向同一块数据是允许的。

可变引用的第二个重要限制是：不可以同时拥有一个可变引用和一个不变的引用。 因为可变引用存在的目的是修改数据内容，不变的引用存在的作用就是为了保持数据内容不变，如果两者同时存在，可变引用修改值之后，不可变引用的作用就失效了。

fn main() {let mut s = String::from("hello");let s1 = &mut s;let s2 = &s;
}

因为s1是可变引用，s2是不可变引用，两者出现在同一个作用域指向同一块数据，所以编译器会报错：

error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it also borrowed as immutable

当然，多个不可变的引用是可以同时出现的。

总结：多个读（不可变引用）是可以同时存在的，多个写（可变引用）可以存在但不能同时，多个写和同时读写是不允许的。

4.4.4. 悬空引用（Dangling References）

在使用指针时非常容易引起叫做悬空指针(Dangling Pointer) 的错误，其定义为：一个指针引用了内存中的某个地址，而这块内存可能已经释放并分配给其他人使用了。

如果你引用了某些数据，Rust编译器保证在引用离开作用域前数据不会离开作用域。 这是Rust保证悬空引用永远不会出现的做法。

以这个代码为例：

fn main() {let r = dangle();
}fn dangle() -> &String {let s = String::from("hello");&s
}

创建了一个局部变量 s:
变量s是一个String，它被分配在栈上，但其底层数据存储在堆上。
返回对s的引用:
函数最后通过&s返回了s的引用。
s 的作用域结束:
在函数dangle返回后，变量s离开了作用域，根据Rust所有权规则，s的内存被自动释放，&s所指向的内存数据已不再存储s的数据，返回的引用指向的是已经被释放的内存地址，变成了悬空引用（Dangling Pointer）。