Rust中所有权和作用域及生命周期

在 Rust 中，作用域（Scope） 和所有权（Ownership） 是保证内存安全的核心机制，它们共同决定了变量的生命周期和内存管理方式，无需垃圾回收即可避免悬垂指针、双重释放等内存问题。

概念	含义	是否自动触发销毁	示例
作用域 (Scope)	变量的可访问范围	✅ 是	{ let x = 1; }
所有权 (Ownership)	资源的唯一持有者	✅ 是	let s = String::from("hi");
生命周期 (Lifetime)	引用的有效区间	N/A	&'a str

作用域

作用域是 一个变量（或引用、资源）在程序中 有效、可访问 的代码范围 ，由一对花括号 {}界定：

1. 确定性：作用域由代码结构显式界定，编译期即可确定，不存在运行时动态变化。
2. 自动清理 ：变量离开作用域时，Rust 会自动调用其drop方法（若实现drop trait，则会调用 drop函数），释放内存或资源（如文件句柄、网络连接等）。
3. 嵌套性：作用域可以嵌套（内部作用域包含在外部作用域中），内部作用域可访问外部作用域的实体，但外部作用域无法访问内部作用域的实体。

事件	发生时机	结果
变量绑定	let语句执行时	内存分配（如需要）
变量可见	声明点到作用域结束	可在作用域内访问
变量销毁	离开作用域时	调用 drop释放资源

变量销毁顺序：

1. 后进先出（LIFO）：与声明顺序相反
2. 结构体字段：按声明顺序销毁
3. 数组元素：从第一个到最后一个

所有权

Rust不使用垃圾回收（GC），而是通过所有权系统在编译期保证内存安全 （在编译时会进行一系列的规则检查，在运行时零开销）：

• 每个值（资源）在任意时刻只有一个所有者（owner）；
• 当所有者离开作用域时，值会被自动销毁；
• 赋值或传参会移动（move）所有权，除非实现了copy trait。

引用与借用

为避免 频繁的 所有权转移，Rust 提供引用机制：

• 不可变引用（&T）：只读访问，允许多个同时存在；
• 可变引用（&mut T）：可修改数据，同一作用域内仅允许一个。

借用规则：

• 引用作用域不能超过被引用变量的作用域（防悬垂引用）；
• 同一数据不能同时存在可变和不可变引用。

赋值

赋值会引起两种语义：

• 复制（Copy） ：a 仍然可以使用；
  • 隐式浅拷贝：若类型实现 Copy trait（如整数、浮点、布尔、字符、元组中全是 Copy 类型） ，则赋值时为Copy语义，不会转移所有权；
  • Clone（显式深拷贝）：会同时复制堆数据；
• 所有权转移（Move） ：a 不再有效。

Copy类型

类型类别	示例	特点
标量类型（scalar）	i32, u64, f32, bool, char	小且固定大小，在栈上
全是 Copy 类型的元组	(i32, i32), (u8, f64, bool)	只要里面的每个字段都是 Copy
指针类（少见）	*const T, *mut T原生指针）	不涉及所有权
函数指针	fn(i32) -> i32	也是 Copy

非Copy类型

类型类别	示例	说明
堆分配类型	String, Vec<T>, Box<T>	包含堆内存指针
动态大小类型	&str, [T], Rc<T>	内部有引用计数或指针
用户定义结构体	若字段中含非 Copy 成员	整体就不是 Copy
其他智能指针	Rc<T>, Arc<T>, RefCell<T>	有运行时管理逻辑

生命周期

生命周期（Lifetime）是编译器用来确保引用始终有效的核心机制。它们解决了"悬垂引用"问题------确保引用不会指向已释放的内存。生命周期是引用有效的作用域范围，由编译器在编译时进行静态分析，不产生运行时开销：** **

• 引用在使用时是合法的；
• 不会悬空（dangling reference）；
• 不会同时存在冲突的可变/不可变引用。

生命周期参数用 'a, 'b 等表示（撇号 '声明生命周期参数），用法类似于泛型参数 （ 在大多数情况下，Rust 会自动推断生命周期）：

• 'a 并不改变运行逻辑；
• 只是告诉编译器："这些引用之间的关系"。

场景	必须明确标注的情况	可以省略的情况
结构体	包含引用类型的字段（无论多少个）	不包含引用字段（无需生命周期参数）
普通函数	1. 多个引用参数且返回引用	1. 无返回引用 2. 单个引用参数且返回引用
方法	1. 返回引用来自外部参数（非 self） 2. 多个外部引用参数且返回引用	1. 返回引用来自 self 2. 无返回引用
Trait / 枚举	包含引用类型的关联项或方法参数 / 返回值	不包含引用类型的关联项或方法

结构体

当结构体包含引用时，必须为这些引用标注生命周期，以确保结构体的生命周期不超过它所包含的引用的生命周期。

若结构体的多个引用来自不同生命周期，可用多个参数区分

// 两个字段的生命周期不同，分别用'a和'b标注
struct Article<'a, 'b> {
    content: &'a str, // 内容的生命周期为'a
    source: &'b str,  // 来源的生命周期为'b
}

fn main() {
    let content = String::from("Rust lifecycle intro");
    let source = "Wikipedia"; // 字符串字面量，生命周期为'static
    
    let art = Article {
        content: &content,
        source: &source,
    };
    // art的生命周期受限于'a（content的生命周期）和'b（source的生命周期）中较短的一个
}

函数

函数的参数或返回值如果是引用类型，可能需要标注生命周期。

省略规则：编译器有3条生命周期推断规则，允许在常见场景中省略显式注解：

• 每个引用参数获取自己的生命周期参数

fn foo(x: &i32)         // 隐式：fn foo<'a>(x: &'a i32)
fn foo(x: &i32, y: &i32) // 隐式：fn foo<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32)

• 若只有一个输入生命周期参数，它被赋予所有输出生命周期参数；

fn bar(x: &str) -> &str // 隐式：fn bar<'a>(x: &'a str) -> &'a str

• 若有多个输入生命周期参数，但其中一个是&self或 &mut self，则self的生命周期将赋予所有输出周期参数

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce(&self, announcement: &str) -> &str {
        // 隐式：fn announce<'b>(&'a self, announcement: &'b str) -> &'a str
        println!("注意：{}", announcement);
        self.part
    }
}

必须明确标注的情况：当函数的返回引用可能来自多个输入引用，或编译器无法推断返回引用的来源时，必须手动标注生命周期：

• 多个输入引用参数，且返回引用

// 正确示例：标注生命周期'a，说明x、y和返回值共享同一生命周期
// 注解'a表示：返回的引用必须来自x或y，且其生命周期不超过x和y中生命周期较短的那个。
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

静态生命周期

'static是一个特殊的生命周期，表示引用可以存活到整个程序运行期间。常见：

• 字符串字面量 ：存储在程序的只读内存中，生命周期为'static。
• 显式声明为'static的引用（需确保引用的值确实能存活到程序结束，否则会报错）。