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<!DOCTYPE HTML>
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<html lang="zh-CN" class="light sidebar-visible" dir="ltr">
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<head>
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<!-- Book generated using mdBook -->
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<meta charset="UTF-8">
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<title>栈借用 - Rust语言圣经(Rust Course)</title>
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<!-- Custom HTML head -->
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<meta name="description" content="">
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<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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<meta name="theme-color" content="#ffffff">
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<link rel="icon" href="../../favicon.svg">
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<link rel="shortcut icon" href="../../favicon.png">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/variables.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/general.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/chrome.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/print.css" media="print">
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<!-- Fonts -->
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<link rel="stylesheet" href="../../FontAwesome/css/font-awesome.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../fonts/fonts.css">
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<!-- Highlight.js Stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" id="highlight-css" href="../../highlight.css">
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<link rel="stylesheet" id="tomorrow-night-css" href="../../tomorrow-night.css">
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<link rel="stylesheet" id="ayu-highlight-css" href="../../ayu-highlight.css">
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<!-- Custom theme stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" href="../../theme/style.css">
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<!-- Provide site root and default themes to javascript -->
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<script>
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const path_to_root = "../../";
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const default_light_theme = "light";
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const default_dark_theme = "navy";
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</script>
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<!-- Start loading toc.js asap -->
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<script src="../../toc.js"></script>
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</head>
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<body>
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<div id="body-container">
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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<script>
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try {
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let theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
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let sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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if (theme.startsWith('"') && theme.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
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}
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if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
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}
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} catch (e) { }
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</script>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<script>
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const default_theme = window.matchMedia("(prefers-color-scheme: dark)").matches ? default_dark_theme : default_light_theme;
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let theme;
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try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
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if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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const html = document.documentElement;
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html.classList.remove('light')
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html.classList.add(theme);
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html.classList.add("js");
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</script>
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<input type="checkbox" id="sidebar-toggle-anchor" class="hidden">
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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<script>
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let sidebar = null;
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const sidebar_toggle = document.getElementById("sidebar-toggle-anchor");
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if (document.body.clientWidth >= 1080) {
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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sidebar = sidebar || 'visible';
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} else {
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sidebar = 'hidden';
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}
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sidebar_toggle.checked = sidebar === 'visible';
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html.classList.remove('sidebar-visible');
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html.classList.add("sidebar-" + sidebar);
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</script>
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<nav id="sidebar" class="sidebar" aria-label="Table of contents">
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<!-- populated by js -->
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<mdbook-sidebar-scrollbox class="sidebar-scrollbox"></mdbook-sidebar-scrollbox>
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<noscript>
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<iframe class="sidebar-iframe-outer" src="../../toc.html"></iframe>
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|
</noscript>
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<div id="sidebar-resize-handle" class="sidebar-resize-handle">
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<div class="sidebar-resize-indicator"></div>
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</div>
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</nav>
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<div id="page-wrapper" class="page-wrapper">
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<div class="page">
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<div id="menu-bar-hover-placeholder"></div>
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<div id="menu-bar" class="menu-bar sticky">
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<div class="left-buttons">
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<label id="sidebar-toggle" class="icon-button" for="sidebar-toggle-anchor" title="Toggle Table of Contents" aria-label="Toggle Table of Contents" aria-controls="sidebar">
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<i class="fa fa-bars"></i>
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</label>
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<button id="theme-toggle" class="icon-button" type="button" title="Change theme" aria-label="Change theme" aria-haspopup="true" aria-expanded="false" aria-controls="theme-list">
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<i class="fa fa-paint-brush"></i>
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</button>
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<ul id="theme-list" class="theme-popup" aria-label="Themes" role="menu">
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="default_theme">Auto</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="light">Light</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="rust">Rust</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="coal">Coal</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="navy">Navy</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="ayu">Ayu</button></li>
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</ul>
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<button id="search-toggle" class="icon-button" type="button" title="Search. (Shortkey: s)" aria-label="Toggle Searchbar" aria-expanded="false" aria-keyshortcuts="S" aria-controls="searchbar">
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<i class="fa fa-search"></i>
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</button>
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</div>
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<h1 class="menu-title">Rust语言圣经(Rust Course)</h1>
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<div class="right-buttons">
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<a href="../../print.html" title="Print this book" aria-label="Print this book">
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<i id="print-button" class="fa fa-print"></i>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course" title="Git repository" aria-label="Git repository">
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<i id="git-repository-button" class="fa fa-github"></i>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course/edit/main/src/too-many-lists/unsafe-queue/stacked-borrow.md" title="Suggest an edit" aria-label="Suggest an edit">
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<i id="git-edit-button" class="fa fa-edit"></i>
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</a>
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</div>
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</div>
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<div id="search-wrapper" class="hidden">
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<form id="searchbar-outer" class="searchbar-outer">
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<input type="search" id="searchbar" name="searchbar" placeholder="Search this book ..." aria-controls="searchresults-outer" aria-describedby="searchresults-header">
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</form>
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<div id="searchresults-outer" class="searchresults-outer hidden">
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<div id="searchresults-header" class="searchresults-header"></div>
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<ul id="searchresults">
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</ul>
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</div>
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</div>
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<!-- Apply ARIA attributes after the sidebar and the sidebar toggle button are added to the DOM -->
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<script>
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document.getElementById('sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
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document.getElementById('sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
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Array.from(document.querySelectorAll('#sidebar a')).forEach(function(link) {
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link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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});
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</script>
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<div id="content" class="content">
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<main>
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<h1 id="栈借用-stacked-borrorw"><a class="header" href="#栈借用-stacked-borrorw">栈借用( Stacked Borrorw)</a></h1>
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<p>上一章节中我们运行 miri 时遇到了一个栈借用错误，还给了文档链接，但这些文档主要是给编译器开发者和 Rust 研究者看的，因此就不进行讲解了。</p>
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<p>而这里，我们将从一个更高层次的角度来看看何为栈借用。</p>
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<blockquote>
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<p>目前栈借用在 Rust 语义模型中还是试验阶段，因此破坏这些规则不一定说明你的程序错了。但是除非你在做编译器开发，否则最好还是修复这些错误。事前的麻烦总比事后的不安全要好，特别是当涉及到 UB 未定义行为时</p>
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</blockquote>
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<h2 id="指针混叠-pointer-aliasing-"><a class="header" href="#指针混叠-pointer-aliasing-">指针混叠( Pointer Aliasing )</a></h2>
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<p>在开始了解我们破坏的规则之前，首先应该了解为何会有这些规则的存在。这里有多个动机，但是我认为最重要的动机是： 指针混叠.</p>
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<p>当两个指针指向的内存区域存在重叠时，就说这两个指针发生了混叠，这种情况会造成一些问题。例如，编译器使用指针混叠的信息来优化内存的访问，当这些信息出错时，那程序就会被不正确地编译，然后产生一些奇怪的结果。</p>
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<blockquote>
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<p>实际上，混叠更多关心的是内存访问而不是指针本身，而且只有在其中一个访问是可变的时，才可能出问题。之所以说指针，是因为指针这个概念更方便跟一些规则进行关联。</p>
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</blockquote>
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<p>再比如，编译器需要获取一个值时，是该去缓存中查询还是每次都去内存中加载呢？关于这个选择，编译器需要清晰地知道是否有一个指针在背后修改内存，如果内存值被修改了，那缓存显然就失效了。</p>
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<h2 id="安全地栈借用"><a class="header" href="#安全地栈借用">安全地栈借用</a></h2>
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<p>有了之前的铺垫，大家肯定希望编译器能对指针混叠的信息了若指掌，但是可以吗？对于 Rust 正常代码而言，这种情况是可以避免的，因为严格的借用规则是我们的后盾：要么同时存在一个可变引用，要么同时存在多个不可变引用，这种规则简直完美避免了：两个指针指向同一块儿重叠内存区域，而其中一个是可变指针。</p>
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<p>然而实际使用中，有一些情况会较为复杂，例如以下代码中发生了可变引用的再借用( reborrow )：</p>
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<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span>let mut data = 10;
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let ref1 = &mut data;
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let ref2 = &mut *ref1;
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*ref2 += 2;
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*ref1 += 1;
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println!("{}", data);
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<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
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<p>看上去像是违反了借用规则，但是这段代码确实可以正常编译运行，如果交换下引用使用的顺序呢？</p>
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<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
|
|
|
</span><span class="boring">fn main() {
|
|
|
</span>let mut data = 10;
|
|
|
let ref1 = &mut data;
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|
let ref2 = &mut *ref1;
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// ORDER SWAPPED!
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*ref1 += 1;
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|
*ref2 += 2;
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|
println!("{}", data);
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|
<span class="boring">}</span></code></pre></pre>
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<pre><code class="language-shell">error[E0503]: cannot use `*ref1` because it was mutably borrowed
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--> src/main.rs:6:5
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4 | let ref2 = &mut *ref1;
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| ---------- borrow of `*ref1` occurs here
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5 |
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6 | *ref1 += 1;
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| ^^^^^^^^^^ use of borrowed `*ref1`
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7 | *ref2 += 2;
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| ---------- borrow later used here
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For more information about this error, try `rustc --explain E0503`.
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error: could not compile `playground` due to previous error
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</code></pre>
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<p>果不其然，编译器抛出了错误，当我们再借用了一个可变引用时，那原始的引用就不能再被使用，直到借用者完成了任务：借用者的借用有效范围并不是看作用域，而是看最后一次使用的位置，正因为如此，第一段代码可以编译通过，而第二段不行，这是著名的生命周期 <a href="https://course.rs/advance/lifetime/advance.html#nll-non-lexical-lifetime">NLL 规则</a>。</p>
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<p>以上就是我们拥有再借用但是还拥有混叠信息的原因：所有的再借用都在清晰地进行嵌套，因此每个再借用都不会与其它的冲突。那大家知道什么方法可以很好的展现嵌套的事物吗？答案就是使用栈来存放这些嵌套的借用。</p>
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<p>嘿，这不就是栈借用吗？</p>
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<p>这个栈的顶部借用就是当前正在使用( live )的借用，而它清晰的知道在它使用的期间不会发生混叠。当对一个指针进行再借用时，新的借用会被插入到栈的顶部，并变成 live 状态。如果要将一个旧的指针变成 live，就需要将借用栈上在它之前的借用全部弹出( pop )。</p>
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<p>通过栈借用的方式，我们保证了尽管存在多个再借用，但是在同一个时间，只会有一个可变引用访问目标内存，再也不用担心指针混叠的问题了。只要不去访问一个已经被弹出借用栈的指针，就会非常安全！</p>
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<p>从表述方式来说，与其说使用 <code>ref1</code> 会让 <code>ref2</code> 不合法，不如说 <code>ref2</code> 必须要在所有使用情况下合法，<code>ref1</code> 恰恰是其中一种情况，会破坏 <code>ref2</code> 的合法性。而编译器的报错也是选择了第二种表述方式：无法使用 <code>*ref1</code>，原因是它已经被可变借用了，可以看出，第二种表述方式比第一种要更加符合直觉。</p>
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<p><strong>但是，当使用 <code>unsafe</code> 指针时，借用检查器就无法再帮助我们了！</strong></p>
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<h2 id="不安全地栈借用"><a class="header" href="#不安全地栈借用">不安全地栈借用</a></h2>
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<p>所以，我们现在需要一个方式让 unsafe 指针也可以参与到栈借用系统中来，即使编译器无法正确地跟踪它们。同时我们也希望这个系统能宽松一些，不要很容易就产生 UB。</p>
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<p>这是一个困难的问题，我也不知道该如何解决，但是目前在编写栈借用系统的开发者显然是有想法的，例如 miri 就是其中一个产物。</p>
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<p>从一个高抽象层次来看，当我们将一个引用转换成裸指针时，就是一种再借用。那么随后，裸指针就可以对目标内存进行操作，当再借用结束时，发生的事情跟正常的再借用结束也没有区别。</p>
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<p>但是问题是，你还可以将一个裸指针转变成引用，最重要的是，还可以对裸指针进行拷贝！如果发生了以下转换 <code>&mut -> *mut -> &mut -> *mut</code>，然后去访问第一个 <code>*mut</code>，这种见鬼的情况下，栈借用该如何发挥作用？</p>
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<p>反正我不知道，只能求助于 miri 了。事实上，正因为这种情况，miri 还提供了试验性的模式: <code>-Zmiri-tag-raw-pointers</code>。可以通过环境的方式来开启该模式：</p>
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<pre><code class="language-shell">MIRIFLAGS="-Zmiri-tag-raw-pointers" cargo +nightly-2022-01-21 miri test
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</code></pre>
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<p>如果是 Windows，你需要设置全局变量:</p>
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<pre><code class="language-shell">$env:MIRIFLAGS="-Zmiri-tag-raw-pointers"
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cargo +nightly-2022-01-21 miri test
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|
|
</code></pre>
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<h2 id="管理栈借用"><a class="header" href="#管理栈借用">管理栈借用</a></h2>
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<p>因为之前的问题，使用裸指针，应该遵守一个原则：<strong>一旦开始使用裸指针，就要尝试着只使用它</strong>。</p>
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<p>现在，我们依然希望在接口中使用安全的引用去构建一个安全的抽象，例如在函数参数中使用引用而不是裸指针，这样我们的用户就无需操心 unsafe 的问题。</p>
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<p>为此，我们需要做以下事情：</p>
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<ol>
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<li>在开始时，将输入参数中的引用转换成裸指针</li>
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<li>在函数体中只使用裸指针</li>
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<li>返回之前，将裸指针转换成安全的指针</li>
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</ol>
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<p>但是由于数据结构中的字段都是私有的，无需暴露给用户，因此无需这么麻烦，直接使用裸指针即可。</p>
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<p>事实上，一个依然存在的问题就是还在继续使用 <code>Box</code>, 它会告诉编译器：hey，这个看上去很像是 <code>&mut</code> ，因为它唯一的持有那个指针。</p>
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<p>但是我们在链表中一直使用的裸指针是指向 Box 的内部，所以无论何时我们通过正常的方式访问 Box，我们都有可能让该裸指针的再借用变得不合法。</p>
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</main>
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<nav class="nav-wrapper" aria-label="Page navigation">
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|
<!-- Mobile navigation buttons -->
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<a rel="prev" href="../../too-many-lists/unsafe-queue/miri.html" class="mobile-nav-chapters previous" title="Previous chapter" aria-label="Previous chapter" aria-keyshortcuts="Left">
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|
<i class="fa fa-angle-left"></i>
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|
</a>
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|
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|
|
<a rel="next prefetch" href="../../too-many-lists/unsafe-queue/testing-stacked-borrow.html" class="mobile-nav-chapters next" title="Next chapter" aria-label="Next chapter" aria-keyshortcuts="Right">
|
|
|
<i class="fa fa-angle-right"></i>
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|
|
</a>
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<div style="clear: both"></div>
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</nav>
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</div>
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</div>
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<nav class="nav-wide-wrapper" aria-label="Page navigation">
|
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|
<a rel="prev" href="../../too-many-lists/unsafe-queue/miri.html" class="nav-chapters previous" title="Previous chapter" aria-label="Previous chapter" aria-keyshortcuts="Left">
|
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|
<i class="fa fa-angle-left"></i>
|
|
|
</a>
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|
<a rel="next prefetch" href="../../too-many-lists/unsafe-queue/testing-stacked-borrow.html" class="nav-chapters next" title="Next chapter" aria-label="Next chapter" aria-keyshortcuts="Right">
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<i class="fa fa-angle-right"></i>
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</a>
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</nav>
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</div>
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<script>
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window.playground_copyable = true;
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</script>
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<script src="../../ace.js"></script>
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<script src="../../editor.js"></script>
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<script src="../../theme-tomorrow_night.js"></script>
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<script src="../../elasticlunr.min.js"></script>
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<script src="../../highlight.js"></script>
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<script src="../../book.js"></script>
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<!-- Custom JS scripts -->
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<script src="../../assets/bigPicture.js"></script>
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</div>
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</body>
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</html>
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