Rust 的最主要光芒: 内存安全 。
实现方式: 所有权系统。
写在前面的序言
因为我们这里实际讲述的内容是关于 内存安全的,所以我们最好先复习一下内存的知识。
然后我们,需要理解的就只有所有权概念,以及为了开发便利,进一步引出的引用借用概念。
永远的基础,内存管理
内存作为存储程序运行时数据的地方,是任何地方都避不开的。除非发展到量子计算,脱离了传统的二进制计算架构。
在这里先说明一下内存讨论的主体颗粒度。我们将着眼于 栈(stack) 和 堆 (heap)。重点明晰的是保存的位置是这两者中的哪一种。
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,处理器处理分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。
所有权和堆栈
所谓的所有权,他存在的意义就是通过某种逻辑实现对堆上数据的管理。
接下来,让我们详细的介绍所有权对内存管理的具体逻辑。
所有权原则
让我们首先明确规则,再去详细了解内涵
- 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)
那么什么是 变量的作用域呢?
变量的作用域
同 c++ 类似,作用域是变量合法有效的范围,
从变量的创建开始有效,止于它离开作用域为止。代码说明如下:
rust
{ // s 在这里无效,它尚未声明
let s = "zry"; // s 在这里无效,它尚未声明
// code
....
} // s 在这里无效,它尚未声明
堆上数据和 栈上数据
在这里我们会通过 代码来介绍在 rust 中 什么数据会在堆上,什么数据会在栈上。
我们使用 String
类型进行介绍。
先继续使用上面的代码 let s = "zry"
这里的s
是被编译器 硬编码进程序里的字符串值,类型是 &str
。但是它有一些缺陷。如下:
-
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:获取用户输入的数据时,编译器肯定是不能在编译时预先知道这部分内容应当怎么写的。
所以,Rust 提供了 动态字符串类型:String
。这个类型被分配到堆上,当出现需要再扩充空间或者缩小时,都可以很方便实现。
具体的创建方式如下:
rust
let s = String::from("zry");
// `::` 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:
s.push_str("say hello, world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值 println!("{}", s); // 将打印 `zry say hello, world!`
到此,我们知道怎样在堆上创建数据(String)和栈上创建数据 (&str)
接下来,我们将根据这两点 展开讲述 所有权的交互。
所有权的交互
所有权的交互分为三种:
- 转移所有权,A的给了B,B能用,A不能用
- 克隆所有权(深拷贝):B抄了A的,多了一份数据,A和B各自使用各自的。
- 拷贝所有权(浅拷贝):B知道A有,共用一份数据,A和B使用同一份内容。
所有权是对堆上数据的管理权限。先看栈上数据的代码:
rust
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
我们在前面就讨论过,拷贝是一个应当重视的行为,那么:这里使用拷贝有什么问题吗?
实际上,我们重视拷贝的原因是因为拷贝需要增加空间,保护数据,消耗时间。在规模变得足够大的时候,就会造成性能浪费。
而这种栈上操作的数据足够的简单,拷贝这个行为也只是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,拷贝的速度远快于堆上创建内存,而内容也足够小,不会造成性能浪费。
实际上 Rust 的基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的
接下来详细介绍:
转移所有权
从基础类型赋值之后,我们使用String
类型完成这一节的演示。
首先代码如下:
rust
let s1 = String::from("zry");
let s2 = s1;
这里 String
并不是基础类型,rust只对基础类型进行自动拷贝
String
类型数据是存放在堆上 的,它本身是一个复合类型,你可以把它简单抽象是一个结构体来方便理解。它提供了三部分:存储在栈中的堆指针 、字符串长度 、字符串容量 共同组成,其中的堆指针 是根本,字符串长度 、字符串容量是为了性能考量的辅助优化。
- 堆指针指向了真实存储字符串内容的堆内存,
- 字符串容量是堆内存分配空间的大小
- 字符串长度是目前已经使用的大小。
回到代码中来,继续讨论 let s2 = s1;
的这一步:
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:
rust
let s1 = String::from("zry");
let s2 = s1;
println!("{} sqy hello world!", s1);
由于 Rust 禁止你使用无效的引用,你会看到以下的错误:
rust
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:
![[Pasted image 20230815214121.png]]
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。 到此为止,我们也清楚了为什么 Rust 称呼 let a = b
为变量绑定 。
绑定的是变量中记录的指针和数据实际地址这两者。
扩展:引用的所有权
再来看一段代码:
rust
fn main() {
let x: &str = "hello, world";
let y = x;
println!("{},{}",x,y);
}
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。
克隆所有权
Rust 中是支持深拷贝的,被称之为 克隆所有权。
- 但是要注意:Rust 永远不会自动创建数据的深拷贝。
- 所以,如果你发现rust 在进行自动的复制,那么其是浅拷贝(栈上数据的赋值
let x =1; let i=x;
),或者是转移所有权(let s::String = "String"; let y = s;)。
克隆所有权的具体方式是使用 clone()
这个关键字。示例如下:
rust
let s1 = String::from("zry");
let s2 = s1.clone();
println!("{} > {} ",s1,s2);
当让,我们可以丰富扩展一下,rust 有一个叫做 Ok
ERR
的东西,可以这样方便测试:
rust
// 定义一个函数 test_string,返回一个 Result 类型,
// 其中 Ok 部分包含一个字符串,Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> {
let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 s
let y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。
println!("{} > {}", s,y);
Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}
fn main() { //主函数
println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"
match test_string() { //使用 match 匹配 test_string 函数的返回值
Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok,则将字符串 z 打印出来
Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err,则将错误信息 e 打印出来
}
}
执行结果:
rust
PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21> cargo run
Compiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.60s
Running `target\debug\file23_08_21.exe`
Hello, world!
hello world > hello world
hello world
- 注意事项 :深拷贝性能消耗是要大于其他方式的。因此,对于热点路径(执行比较频繁的代码),使用
clone
会极大的降低程序性能。
拷贝所有权
在上面我们说到了拷贝所有权,这里详细介绍。
- 拷贝所有权,是指浅拷贝。
- 浅拷贝只发生在栈上。因此性能很高
通过代码介绍:
rust
let x = 5;
let y = x;
println!("x = {} ,y = {}",x,y);
上面的代码中,我们并没有进行 clone
,如果按照之前的说法:所有权改变了以后,原有变量不再使用,这里x
,应当不能使用了,但是实际运行之后,依旧打印出了x
的内容。
这里引出 rust 中的 一个特征 :Copy
整型这样的基本类型是在编译时已知大小的,会被存储在栈上。Rust 通过copy
这样的特征来保证拥有这样特征的类型,可以实现:一个旧的变量在被赋值给其他变量后任然可以使用。
哪些类型可 Copy
?
- 任何基本类型的组合都可以
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 扩展:引用的所有权 中的例子,但是注意: 可变引用&mut T
是不可以 Copy的
函数传值与返回
既然我们前面说到了:赋值是会改变所有权的。那么自然会聊到一个点:函数传值。
在将值传递给函数时,一样会发生 移动 或者 复制 ,就像赋值一样。具体可以看下面的代码:
rust
// 定义一个函数 test_string,返回一个 Result 类型,
// 其中 Ok 部分包含一个字符串,Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> {
let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 s
let y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。
println!("{} > {}", s, y);
Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}
fn test_string_2() {
let x = 5;
let y = x;
println!("x = {} ,y = {}", x, y);
}
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
fn main() {
//主函数
println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"
match test_string() {
//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值
Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok,则将字符串 z 打印出来
Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err,则将错误信息 e 打印出来
}
test_string_2();
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
运行后如下结果:
rust
PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21> cargo run
Compiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)
Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 1.41s
Running `target\debug\file23_08_21.exe`
Hello, world!
hello world > hello world
hello world
x = 5 ,y = 5
hello
5
同样的,函数返回值也有所有权,例如:
rust
// 定义一个函数 test_string,返回一个 Result 类型,
// 其中 Ok 部分包含一个字符串,Err 部分包含一个 &'static str 类型的错误信息
fn test_string() -> Result<String, &'static str> {
let s = String::from("hello world"); //创建一个包含 "hello world" 的 String 类型变量 s
let y = s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。
println!("{} > {}", s, y);
Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}
fn test_string_2() {
let x = 5;
let y = x;
println!("x = {} ,y = {}", x, y);
}
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
fn main() {
//主函数
println!("Hello, world!"); //打印 "Hello, world!"
match test_string() {
//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值
Ok(z) => println!("{}", z), //如果返回的是 Ok,则将字符串 z 打印出来
Err(e) => eprintln!("Error: {}", e), //如果返回的是 Err,则将错误信息 e 打印出来
}
test_string_2();
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
println!("S == {}",s);
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
let s1 = gives_ownership_2(); // gives_ownership_2 将返回值
// 移给 s1
let s2 = String::from("hello"); // s2 进入作用域
let s3 = takes_and_gives_back_2(s2); // s2 被移动到
// takes_and_gives_back_2 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_2() -> String {
// gives_ownership_2 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_2 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back_2(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
}
其中如果在变量传入函数后,再次使用变量,就会报错如下:
rust
error[E0382]: borrow of moved value: `s`
--> src\main.rs:51:24
|
46 | let s = String::from("hello"); // s 进入作用域
| - move occurs because `s` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
...
49 | takes_ownership(s); // s 的值移动到函数里 ...
| - value moved here
50 | // ... 所以到这里不再有效
51 | println!("S == {}",s);
| ^ value borrowed here after move
|
很明显,这样的方式不利于我们开发时使用。
因此 ,我们继续介绍 引用和借用。 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。