Rust Ownership 三原则

发表于 3年以前 | 总阅读数：367 次

Rust 最核心的概念就是 Ownership 所有权，带 GC 功能的语言，可以在运行期由 runtime 扫堆内存，释放没有被引用的垃圾对象，比如现在用的 go. 对于像 c/c++ 这类语言，就需要用户自行管理内存的分配与释放

而 Rust 采用 Ownership 的概念，并在编译器附加各种检查规则，来实现内存管理。注意，Rust 大部分工作都是在编译期完成，所以运行时没有额外开销。下面是三原则：

每个值 value, 都有一个所有者 owner
同一时间，一个值只能有一个所有者 owner
当所有者 owner 离开作用域，对应的值会自动 dropped

RAII

先来看一下离开作用域，自动释放

fn main() {
    let _s = String::from("hello");
}

最简单的代码，只有一行，在堆上分配字符串，反汇编观察下如何管理内存

Dump of assembler code for function hello_cargo::main:
src/main.rs:
1 fn main() {
   0x000055555555d190 <+0>: sub    $0x18,%rsp

2     let _s = String::from("hello");
   0x000055555555d194 <+4>: mov    %rsp,%rdi
   0x000055555555d197 <+7>: lea    0x2bf86(%rip),%rsi        # 0x555555589124
   0x000055555555d19e <+14>: mov    $0x5,%edx
   0x000055555555d1a3 <+19>: callq  0x55555555c480 <<alloc::string::String as core::convert::From<&str>>::from>

3 }
=> 0x000055555555d1a8 <+24>: mov    %rsp,%rdi
   0x000055555555d1ab <+27>: callq  0x55555555c700 <core::ptr::drop_in_place<alloc::string::String>>
   0x000055555555d1b0 <+32>: add    $0x18,%rsp
   0x000055555555d1b4 <+36>: retq
End of assembler dump.

第 2 行的汇编，调用 core::convert::From 创建字符串变量。然后第 3 行，main 结束时，自动调用 core::ptr::drop_in_place 释放字符串，这行代码由编译器添加

离开作用域自动析构，这一点很像 c++ 的 RAII (Resource Acquisition Is Initialization), 只不过 rust 是离开作用域调用 drop trait

所有权

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;

    println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

这段代码，如果是 go 肯定可以运行，但是 rust 不行

hello_cargo# cargo run
   Compiling hello_cargo v0.1.0 (/root/zerun.dong/code/rusttest/hello_cargo)
error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
 --> src/main.rs:5:34
  |
2 |     let s1 = String::from("hello");
  |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
3 |     let s2 = s1;
  |              -- value moved here
4 |
5 |     println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
  |                                  ^^ value borrowed here after move

执行报错，因为 s1 值的所有权己经 move 给 s2 了，原来的 s1 己经处于不可用状态。move occurs because s1 has type String, which does not implement the Copy trait

可以看一下字符串的实现，和 go 一样，string header 里面有 pointer 指向堆内存。如果 s1, s2 浅拷贝，同时将 pointer 指向堆上的数据，那么离开作用域后，会将同一片内存释放两次！！！

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1.clone();

    println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

可以调用 s1.clone() 进行深拷贝，解决这个问题。但是每次都进行内存复制很低效，所以后面会介绍 引用 references 的概念

所有权与函数

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s comes into scope

    takes_ownership(s);             // s's value moves into the function...
                                    // ... and so is no longer valid here

    let x = 5;                      // x comes into scope

    makes_copy(x);                  // x would move into the function,
                                    // but i32 is Copy, so it's okay to still
                                    // use x afterward

} // Here, x goes out of scope, then s. But because s's value was moved, nothing
  // special happens.

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string comes into scope
    println!("{}", some_string);
} // Here, some_string goes out of scope and `drop` is called. The backing
  // memory is freed.

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer comes into scope
    println!("{}", some_integer);
} // Here, some_integer goes out of scope. Nothing special happens.

这是官网的一个例子，当 takes_ownership 执行时，s 对应值的所有权就转移到函数中了，离开作用域后进行释放，如果 main 函数想再使用就会报错

但是同时，x 是一个 int 值，makes_copy 函数执行会 copy 这个 value, 而不是转移所有权

Move, Copy 与 Clone

在 Rust 中，如果类型没有实现 Copy, 那么该类型进行赋值，传参，返回值时都是 Move 语义，有点拗口，不直观

上一段字符串就是一个 Move, 来看一个整型例子

zerun.dong$ cat src/main.rs
fn main() {
    let s1 = 1234;
    let s2 = s1;

    println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

zerun.dong$ cargo run
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.00s
     Running `target/debug/hello_cargo`
s1 = 1234, s2 = 1234

这里 s1 默认就是 i32 类型，实现了 Copy 语义，所以之后 s1 也可以使用

来看一下哪些类型默认实现了 Copy 语义，一般都是标量，也就是栈上分配，在编译期就确定大小的类型：

All the integer types, such as u32.
The Boolean type, bool, with values true and false.
All the floating point types, such as f64.
The character type, char.
Tuples, if they only contain types that also implement Copy. For example, (i32, i32) implements Copy, but (i32, String) does not.

那么对于自定义类型，比如 struct 是如何处理的呢？？？

struct Data {
    a: i64,
    b: i64,
}

fn test(d: Data) {
    let _d = d;
}

fn main() {
    let d = Data{a:1,b:1};
    test(d);
    println!("a is {}, b is {}", d.a, d.b);
}

zerun.dong$ cargo run
   Compiling hello_cargo v0.1.0 (/Users/zerun.dong/code/rusttest/hello_cargo)
error[E0382]: borrow of moved value: `d`
  --> src/main.rs:14:39
   |
12 |     let d = Data{a:1,b:1};
   |         - move occurs because `d` has type `Data`, which does not implement the `Copy` trait
13 |     test(d);
   |          - value moved here
14 |     println!("a is {}, b is {}", d.a, d.b);
   |                                       ^^^ value borrowed here after move

可以看到，运行报错，原因是 d 在调用 test 时己经 move 走了，所以 main 里不能再使用变量 d. 但问题在于 struct Data 成员都是整型啊，默认都是实现了 Copy 的

#[derive(Copy, Clone)]
struct Data {
    a: i64,
    b: i64,
}

这里需要在 struct 标注一下 #[derive(Copy, Clone)], 这样该自定义类型自动实现 Copy trait, 这里要求所有字段都己经实现了 Copy

enum E1 {
    Text,
    Digit,
}
struct S2 {
    u: usize,
    e: E1,
    s: String,
}
impl Clone for S2 {
    fn clone(&self) -> Self {
        // 生成新的E1实例
        let e = match self.e {
            E1::Text => E1::Text,
            E1::Digit => E1::Digit,
        };
        Self {
            u: self.u,
            e,
            s: self.s.clone(),
        }
    }
}

对于 struct S2, 由于 S2 的 field 中有 String 类型，String 类型没有实现 Copy trait, 所以 S2 类型就不能实现 Copy trait

S2 中也包含了 E1 类型，E1 类型没有实现 Clone 和 Copy trait，但是我们可以自己实现S2类型的 Clone trait, 在 Clone::clone 方法中生成新的 E1 实例，这就可以 clone 出新的 S2 实例

这块概念参考rust中move、copy、clone、drop和闭包捕获[2], 太复杂了，涉及到闭包的，后面再讲。

对于 go 就没这么多事，不确定的直接堆上分配，由 runtime GC 来负责清理垃圾。多个语言，对比学习，还是蛮有意思的 ^_^