Rust 中的所有权是什么？深入了解安全且快速的内存管理

Rust 中的所有权是什么？深入了解安全快速的内存管理

在系统编程领域，内存安全和性能至关重要。Rust 引入了一个突破性的概念，称为 所有权，这是一种编译时特性，使开发人员可以精细地控制内存，而没有通常的错误、泄漏或崩溃的风险。与具有垃圾回收或手动内存管理的语言不同，Rust 的所有权模型可确保内存安全和零成本抽象。

本文将引导你了解所有权的核心原则、Rust 如何使用栈和堆，以及变量在赋值、函数调用和作用域期间如何与内存交互。

为什么内存管理很重要

每个程序都需要内存来存储和操作数据。传统方法可分为两大类：

• 具有垃圾回收的语言（例如，Java、Python）：在运行时清理未使用的内存，但会带来一定的性能开销。
• 手动内存管理语言（例如，C、C++）：依赖开发人员显式分配和释放内存，从而导致诸如内存泄漏或双重释放之类的错误。

Rust 采用第三种方法：内存通过编译器在编译时强制执行的所有权规则进行管理。如果你的代码违反了这些规则，它将无法编译。但是，如果它确实编译了，则可以保证内存安全——而不会牺牲速度。

三条所有权规则

要了解 Rust 如何确保安全，你必须掌握其三个核心规则：

1. Rust 中的每个值都有一个所有者。
2. 在任何给定时间只能有一个所有者。
3. 当所有者超出作用域时，该值将被释放（dropped）。

栈和堆

要理解 Rust 的内存模型，需要快速了解一下栈和堆。

• 栈：速度快，组织方式就像堆叠盘子（后进先出）。存储已知、固定大小的值。
• 堆：速度较慢但很灵活。存储动态大小或编译时未知的值。需要一个指针和簿记。

创建变量时：

• 如果它是已知大小的（例如整数），则将其放入栈中。
• 如果它是动态的（例如 String），则将其存储在堆上，并且栈保存指向它的指针。

所有权实践

让我们通过一个例子来看看所有权是如何运作的：

let s = String::from("hello"); // s 拥有一个堆分配的字符串

当 s 超出作用域时，Rust 会自动使用 drop 函数释放内存。无需手动释放。没有垃圾收集器。

现在观察一下：

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; // String 的所有权转移到 s2

在此行之后，s1 变为无效。尝试使用它将触发编译时错误。

为什么？因为 s1 和 s2 否则都将指向同一块堆内存，并且释放两次会导致未定义的行为。Rust 通过移动所有权而不是浅拷贝来避免这种情况。

如果你想复制怎么办？

如果你确实想要复制堆数据，则可以显式地克隆它：

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone(); // 深拷贝

现在，s1 和 s2 都拥有自己的堆分配。这更昂贵，但更安全。

仅栈数据会被复制

Rust 允许实现 Copy 特征的类型被自动复制，因为它们完全存在于栈上。

像整数、浮点数、布尔值和 Copy 类型的元组等类型都是可复制的。

let x = 5;
let y = x; // x 仍然有效，因为 i32 实现了 Copy

所有权和函数

所有权在函数调用中的工作方式相同：

fn takes_ownership(s: String) {
    println!("{}", s);
}

fn makes_copy(x: i32) {
    println!("{}", x);
}

let s = String::from("hello");
takes_ownership(s); // s 被移动

let x = 5;
makes_copy(x); // x 被复制

s 的所有权转移到 takes_ownership 中。调用后，s 不再有效。但 x 没问题，因为它是 Copy。

返回所有权

函数还可以返回拥有的值：

fn gives_ownership() -> String {
    String::from("yours")
}

let s1 = gives_ownership(); // s1 现在拥有 String

你也可以同时转移和返回所有权：

fn takes_and_returns(s: String) -> String {
    s
}

let s2 = String::from("hello");
let s3 = takes_and_returns(s2); // s2 被移动，s3 现在拥有它

如果你想重用一个值怎么办？

有时，你希望函数使用一个值而不获取它。这就是引用的用武之地 – Rust 的借用系统。它允许你借用对数据的访问权限而不转移所有权。

但这又是一个全新的章节。

总结：为什么所有权很重要

Rust 的所有权系统功能强大且严格，但这是有充分理由的：

• 没有垃圾收集器
• 无需手动 free()
• 没有内存泄漏
• 编译时安全

一旦你将所有权内在化，编写高性能和安全的系统代码就会变成第二天性。

所以，是的，这是一种新的思维模式——但在可靠性、清晰性和性能方面都有回报。

• 原文链接： medium.com/@estheraladio...
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