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# 引用与借用
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上节中提到，如果仅仅支持通过转移所有权的方式获取一个值，那会让程序变得复杂。 Rust 能否像其它编程语言一样，使用某个变量的指针或者引用呢？答案是可以。
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Rust 通过 `借用(Borrowing)` 这个概念来达成上述的目的: **获取变量的引用，称之为借用(borrowing)**。正如现实生活中，如果一个人拥有某样东西，你可以从他那里借来，当使用完毕后，也必须要物归原主。
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### 引用与解引用
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常规引用是一个指针类型，指向了对象存储的内存地址。在下面代码中，我们创建一个 `i32` 值的引用 `y`，然后使用解引用运算符来解出 `y` 所使用的值:
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```rust
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fn main() {
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let x = 5;
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let y = &x;
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assert_eq!(5, x);
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assert_eq!(5, *y);
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}
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```
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变量 `x` 存放了一个 `i32` 值 `5`。`y` 是 `x` 的一个引用。可以断言 `x` 等于 `5`。然而，如果希望对 `y` 的值做出断言，必须使用 `*y` 来解出引用所指向的值（也就是 **解引用**）。一旦解引用了 `y`，就可以访问 `y` 所指向的整型值并可以与 `5` 做比较。
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相反如果尝试编写 `assert_eq!(5, y);`，则会得到如下编译错误：
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```text
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error[E0277]: can't compare `{integer}` with `&{integer}`
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--> src/main.rs:6:5
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6 | assert_eq!(5, y);
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| ^^^^^^^^^^^^^^^^^ no implementation for `{integer} == &{integer}` // 无法比较整数类型和引用类型
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= help: the trait `std::cmp::PartialEq<&{integer}>` is not implemented for
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`{integer}`
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```
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不允许比较整数与引用，因为它们是不同的类型。必须使用解引用运算符解出引用所指向的值。
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### 不可变引用
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下面的代码，我们用 `s1` 的引用作为参数传递给 `calculate_length` 函数，而不是把 `s1` 的所有权转移给该函数：
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```rust
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fn main() {
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let s1 = String::from("hello");
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let len = calculate_length(&s1);
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println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
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}
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fn calculate_length(s: &String) -> usize {
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s.len()
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}
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```
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能注意到两点：
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1. 无需像上章一样：先通过函数参数传入所有权，然后再通过函数返回来传出所有权，代码更加简洁
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2. `calculate_length` 的参数 `s` 类型从 `String` 变为 `&String`
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这里，`&` 符号即是引用，它们允许你使用值，但是不获取所有权，如图所示：
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<img alt="&String s pointing at String s1" src="/img/borrowing-01.svg" class="center" />
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通过 `&s1` 语法，我们创建了一个 **指向s1的引用**，但是并不拥有它。因为并不拥有这个值，当引用离开作用域后，其指向的值也不会被丢弃。
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同理，函数 `calculate_length` 使用 `&` 来表明参数 `s` 的类型是一个引用：
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```rust
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fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s 是对 String 的引用
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s.len()
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} // 这里，s 离开了作用域。但因为它并不拥有引用值的所有权，
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// 所以什么也不会发生
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```
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人总是贪心的，可以拉女孩小手了，就想着抱抱柔软的身子(读者中的某老司机表示，这个流程完全不对)，因此光借用已经满足不了我们了，如果尝试修改借用的变量呢？
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```rust
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fn main() {
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let s = String::from("hello");
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change(&s);
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}
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fn change(some_string: &String) {
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some_string.push_str(", world");
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}
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```
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很不幸，妹子你没抱到, 哦口误，你修改错了：
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```console
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error[E0596]: cannot borrow `*some_string` as mutable, as it is behind a `&` reference
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--> src/main.rs:8:5
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7 | fn change(some_string: &String) {
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| ------- help: consider changing this to be a mutable reference: `&mut String`
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------- 帮助：考虑将该参数类型修改为可变的引用: `&mut String`
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8 | some_string.push_str(", world");
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| ^^^^^^^^^^^ `some_string` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
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`some_string`是一个`&`类型的引用，因此它指向的数据无法进行修改
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```
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正如变量默认不可变一样，引用指向的值默认也是不可变的，没事，来一起看看如果解决这个问题。
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### 可变引用
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只需要一个小调整，即可修复上面代码的错误：
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```rust
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fn main() {
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let mut s = String::from("hello");
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change(&mut s);
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}
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fn change(some_string: &mut String) {
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some_string.push_str(", world");
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}
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```
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首先，声明 `s` 是可变类型，其次创建一个可变的引用 `&mut s` 和接受可变引用的函数 `some_string: &mut String`。
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##### 可变引用同时只能存在一个
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不过可变引用并不是随心所欲、想用就用的，它有一个很大的限制： **同一作用域，特定数据只能有一个可变引用**：
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```rust
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let mut s = String::from("hello");
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let r1 = &mut s;
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let r2 = &mut s;
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println!("{}, {}", r1, r2);
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```
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以上代码会报错：
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```console
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error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time 同一时间无法对 `s` 进行两次可变借用
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--> src/main.rs:5:14
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4 | let r1 = &mut s;
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| ------ first mutable borrow occurs here 首个可变引用在这里借用
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5 | let r2 = &mut s;
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| ^^^^^^ second mutable borrow occurs here 第二个可变引用在这里借用
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7 | println!("{}, {}", r1, r2);
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| -- first borrow later used here 第一个借用在这里使用
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```
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这段代码出错的原因在于，第一个可变借用 `r1` 必须要持续到最后一次使用的位置 `println!`，在 `r1` 创建和最后一次使用之间，我们又尝试创建第二个可变引用 `r2`。
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对于新手来说，这个特性绝对是一大拦路虎，也是新人们谈之色变的编译器 `borrow checker` 特性之一，不过各行各业都一样，限制往往是出于安全的考虑，Rust 也一样。
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这种限制的好处就是使 Rust 在编译期就避免数据竞争，数据竞争可由以下行为造成：
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- 两个或更多的指针同时访问同一数据
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- 至少有一个指针被用来写入数据
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- 没有同步数据访问的机制
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数据竞争会导致未定义行为，这种行为很可能超出我们的预期，难以在运行时追踪，并且难以诊断和修复。而 Rust 避免了这种情况的发生，因为它甚至不会编译存在数据竞争的代码！
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很多时候，大括号可以帮我们解决一些编译不通过的问题，通过手动限制变量的作用域：
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```rust
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let mut s = String::from("hello");
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{
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let r1 = &mut s;
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} // r1 在这里离开了作用域，所以我们完全可以创建一个新的引用
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let r2 = &mut s;
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```
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##### 可变引用与不可变引用不能同时存在
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下面的代码会导致一个错误：
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```rust
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let mut s = String::from("hello");
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let r1 = &s; // 没问题
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let r2 = &s; // 没问题
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let r3 = &mut s; // 大问题
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println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
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```
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错误如下：
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```console
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error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
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// 无法借用可变 `s` 因为它已经被借用了不可变
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--> src/main.rs:6:14
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4 | let r1 = &s; // 没问题
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| -- immutable borrow occurs here 不可变借用发生在这里
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5 | let r2 = &s; // 没问题
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6 | let r3 = &mut s; // 大问题
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| ^^^^^^ mutable borrow occurs here 可变借用发生在这里
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8 | println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
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| -- immutable borrow later used here 不可变借用在这里使用
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```
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其实这个也很好理解，正在借用不可变引用的用户，肯定不希望他借用的东西，被另外一个人莫名其妙改变了。多个不可变借用被允许是因为没有人会去试图修改数据，每个人都只读这一份数据而不做修改，因此不用担心数据被污染。
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> 注意，引用的作用域 `s` 从创建开始，一直持续到它最后一次使用的地方，这个跟变量的作用域有所不同，变量的作用域从创建持续到某一个花括号 `}`
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Rust 的编译器一直在优化，早期的时候，引用的作用域跟变量作用域是一致的，这对日常使用带来了很大的困扰，你必须非常小心的去安排可变、不可变变量的借用，免得无法通过编译，例如以下代码：
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```rust
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fn main() {
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let mut s = String::from("hello");
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let r1 = &s;
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let r2 = &s;
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println!("{} and {}", r1, r2);
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// 新编译器中，r1,r2作用域在这里结束
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let r3 = &mut s;
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println!("{}", r3);
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} // 老编译器中，r1、r2、r3作用域在这里结束
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// 新编译器中，r3作用域在这里结束
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```
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在老版本的编译器中（Rust 1.31前），将会报错，因为 `r1` 和 `r2` 的作用域在花括号 `}` 处结束，那么 `r3` 的借用就会触发 **无法同时借用可变和不可变**的规则。
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但是在新的编译器中，该代码将顺利通过，因为 **引用作用域的结束位置从花括号变成最后一次使用的位置**，因此 `r1` 借用和 `r2` 借用在 `println!` 后，就结束了，此时 `r3` 可以顺利借用到可变引用。
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#### NLL
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对于这种编译器优化行为，Rust 专门起了一个名字 —— **Non-Lexical Lifetimes(NLL)**，专门用于找到某个引用在作用域(`}`)结束前就不再被使用的代码位置。
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虽然这种借用错误有的时候会让我们很郁闷，但是你只要想想这是 Rust 提前帮你发现了潜在的 BUG，其实就开心了，虽然减慢了开发速度，但是从长期来看，大幅减少了后续开发和运维成本。
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### 悬垂引用（Dangling References）
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悬垂引用也叫做悬垂指针，指的是指针指向某个值后，这个值被释放掉了，而指针仍然存在，其指向的内存可能不存在任何值或已被其它变量重新使用。在 Rust 中编译器可以确保引用永远也不会变成悬垂状态：当你拥有一些数据的引用，编译器可以确保数据不会在其引用之前被释放，要想释放数据，必须先停止其引用的使用。
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让我们尝试创建一个悬垂引用，Rust 会抛出一个编译时错误：
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```rust
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fn main() {
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let reference_to_nothing = dangle();
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}
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fn dangle() -> &String {
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let s = String::from("hello");
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&s
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}
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```
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这里是错误：
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```text
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error[E0106]: missing lifetime specifier
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--> src/main.rs:5:16
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5 | fn dangle() -> &String {
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| ^ expected named lifetime parameter
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= help: this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from
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help: consider using the `'static` lifetime
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5 | fn dangle() -> &'static String {
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| ~~~~~~~~
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```
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错误信息引用了一个我们还未介绍的功能：[生命周期（lifetimes）](../../advance/lifetime.md)。不过，即使你不理解生命周期，也可以通过错误信息知道这段代码错误的关键信息：
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```text
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this function's return type contains a borrowed value, but there is no value for it to be borrowed from.
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该函数返回了一个借用的值，但是已经找不到它所借用值的来源
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```
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仔细看看 `dangle` 代码的每一步到底发生了什么：
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```rust
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fn dangle() -> &String { // dangle 返回一个字符串的引用
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let s = String::from("hello"); // s 是一个新字符串
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&s // 返回字符串 s 的引用
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} // 这里 s 离开作用域并被丢弃。其内存被释放。
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// 危险！
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```
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因为 `s` 是在 `dangle` 函数内创建的，当 `dangle` 的代码执行完毕后，`s` 将被释放, 但是此时我们又尝试去返回它的引用。这意味着这个引用会指向一个无效的 `String`，这可不对！
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其中一个很好的解决方法是直接返回 `String`：
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```rust
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fn no_dangle() -> String {
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let s = String::from("hello");
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s
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}
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```
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这样就没有任何错误了，最终 `String` 的 **所有权被转移给外面的调用者**。
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## 借用规则总结
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总的来说，借用规则如下：
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- 同一时刻，你只能拥有要么一个可变引用, 要么任意多个不可变引用
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- 引用必须总是有效的
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