@ -2,7 +2,7 @@
> [ch04-01-what-is-ownership.md ](https://github.com/rust-lang/book/blob/main/src/ch04-01-what-is-ownership.md )
> < br >
> commit e81710c276b3839e8ec54d5f12aec4f9de88924b
> commit d377d2effa9ae9173026e35a7e464b8f5b82409a
Rust 的核心功能(之一)是 ** 所有权**( *ownership*)。虽然该功能很容易解释,但它对语言的其他部分有着深刻的影响。
@ -18,11 +18,11 @@ Rust 的核心功能(之一)是 **所有权**( *ownership*)。虽然该
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> 栈和堆都是代码在运行时可供使用的内存,但是它们的结构不同。栈以放入值的顺序存储值并以相反顺序取出值。这也被称作 ** 后进先出**( *last in, first out*)。想象一下一叠盘子:当增加更多盘子时,把它们放在盘子堆的顶部,当需要盘子时,也从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子!增加数据叫做 ** 进栈**( *pushing onto the stack*),而移出数据叫做 ** 出栈**( *popping off the stack*)。
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> 栈中的所有数据都必须占用已知且固定的大小。在编译时大小未知或大小可能变化的数据,要改为存储在堆上。堆是缺乏组织的:当向堆放入数据时,你要请求一定大小的空间。操作系统 在堆的某处找到一块足够大的空位,把它标记为已使用,并返回一个表示该位置地址的 ** 指针**( *pointer*)。这个过程称作 ** 在堆上分配内存**( *allocating on the heap*),有时简称为 “分配”( allocating) 。将数据推入栈中并不被认为是分配。因为指针的大小是已知并且固定的, 你可以将指针存储在栈上, 不过当需要实际数据时, 必须访问指针。
> 栈中的所有数据都必须占用已知且固定的大小。在编译时大小未知或大小可能变化的数据,要改为存储在堆上。堆是缺乏组织的:当向堆放入数据时,你要请求一定大小的空间。内存分配器( memory allocator) 在堆的某处找到一块足够大的空位,把它标记为已使用,并返回一个表示该位置地址的 ** 指针**( *pointer*)。这个过程称作 ** 在堆上分配内存**( *allocating on the heap*),有时简称为 “分配”( allocating) 。将数据推入栈中并不被认为是分配。因为指针的大小是已知并且固定的, 你可以将指针存储在栈上, 不过当需要实际数据时, 必须访问指针。
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> 想象一下去餐馆就座吃饭。当进入时,你说明有几个人,餐馆员工会找到一个够大的空桌子并领你们过去。如果有人来迟了,他们也可以通过询问来找到你们坐在哪。
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> 入栈比在堆上分配内存要快,因为(入栈时)操作系统 无需为存储新数据去搜索内存空间;其位置总是在栈顶。相比之下,在堆上分配内存则需要更多的工作,这是因为操作系统 必须首先找到一块足够存放数据的内存空间,并接着做一些记录为下一次分配做准备。
> 入栈比在堆上分配内存要快,因为(入栈时)分配器 无需为存储新数据去搜索内存空间;其位置总是在栈顶。相比之下,在堆上分配内存则需要更多的工作,这是因为分配器 必须首先找到一块足够存放数据的内存空间,并接着做一些记录为下一次分配做准备。
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> 访问堆上的数据比访问栈上的数据慢,因为必须通过指针来访问。现代处理器在内存中跳转越少就越快(缓存)。继续类比,假设有一个服务员在餐厅里处理多个桌子的点菜。在一个桌子报完所有菜后再移动到下一个桌子是最有效率的。从桌子 A 听一个菜,接着桌子 B 听一个菜,然后再桌子 A, 然后再桌子 B 这样的流程会更加缓慢。出于同样原因,处理器在处理的数据彼此较近的时候(比如在栈上)比较远的时候(比如可能在堆上)能更好的工作。在堆上分配大量的空间也可能消耗时间。
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@ -69,11 +69,11 @@ let s = "hello";
### `String` 类型
为了演示所有权的规则,我们需要一个比第三章 [“数据类型”][data-types] 中讲到的都要复杂的数据类型。前面介绍的类型都是存储在栈上的并且当离开作用域时被移出栈, 不过我们需要寻找一个存储在堆上的数据来探索 Rust 是如何知道该在何时清理数据的。
为了演示所有权的规则,我们需要一个比第三章 [“数据类型”][data-types] 中讲到的都要复杂的数据类型。前面介绍的类型都是已知大小的,可以存储在栈中,并且当离开作用域时被移出栈,如果代码的另一部分需要在不同的作用域中使用相同的值,可以快速简单地复制它们来创建一个新的独立实例。 不过我们需要寻找一个存储在堆上的数据来探索 Rust 是如何知道该在何时清理数据的。
这里使用 `String` 作为例子,并专注于 `String` 与所有权相关的部分。这些方面也同样适用于标准库提供的或你自己创建的其他复杂数据类型。在第八章会更深入地讲解 `String` 。
我们已经见过字符串字面值, 即被硬编码进程序里的字符串值。字符串字面值是很方便的, 不过它们并不适合使用文本的每一种场景。原因之一就是它们是不可变的。另一个原因是并非所有字符串的值都能在编写代码时就知道: 例如, 要是想获取用户输入并存储该怎么办呢? 为此, Rust 有第二个字符串类型,`String`。这个类型被分配到堆上,所以能够存储在编译时未知大小的文本。可以使用 `from` 函数基于字符串字面值来创建 `String` ,如下:
我们已经见过字符串字面值, 即被硬编码进程序里的字符串值。字符串字面值是很方便的, 不过它们并不适合使用文本的每一种场景。原因之一就是它们是不可变的。另一个原因是并非所有字符串的值都能在编写代码时就知道: 例如, 要是想获取用户输入并存储该怎么办呢? 为此, Rust 有第二个字符串类型,`String`。这个类型管理 被分配到堆上的数据 ,所以能够存储在编译时未知大小的文本。可以使用 `from` 函数基于字符串字面值来创建 `String` ,如下:
```rust
let s = String::from("hello");
@ -99,8 +99,8 @@ println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`
对于 `String` 类型,为了支持一个可变,可增长的文本片段,需要在堆上分配一块在编译时未知大小的内存来存放内容。这意味着:
* 必须在运行时向操作系统 请求内存。
* 需要一个当我们处理完 `String` 时将内存返回给操作系统 的方法。
* 必须在运行时向内存分配器( memory allocator) 请求内存。
* 需要一个当我们处理完 `String` 时将内存返回给分配器 的方法。
第一部分由我们完成:当调用 `String::from` 时,它的实现 (*implementation*) 请求其所需的内存。这在编程语言中是非常通用的。
@ -117,7 +117,7 @@ Rust 采取了一个不同的策略:内存在拥有它的变量离开作用域
// s 不再有效
```
这是一个将 `String` 需要的内存返回给操作系统 的很自然的位置:当 `s` 离开作用域的时候。当变量离开作用域, Rust 为我们调用一个特殊的函数。这个函数叫做 `drop` ,在这里 `String` 的作者可以放置释放内存的代码。Rust 在结尾的 `}` 处自动调用 `drop` 。
这是一个将 `String` 需要的内存返回给分配器 的很自然的位置:当 `s` 离开作用域的时候。当变量离开作用域, Rust 为我们调用一个特殊的函数。这个函数叫做 [`drop`][drop] ,在这里 `String` 的作者可以放置释放内存的代码。Rust 在结尾的 `}` 处自动调用 `drop` 。
> 注意:在 C++ 中,这种 item 在生命周期结束时释放资源的模式有时被称作 ** 资源获取即初始化**( *Resource Acquisition Is Initialization (RAII)*)。如果你使用过 RAII 模式的话应该对 Rust 的 `drop` 函数并不陌生。
@ -151,7 +151,7 @@ let s2 = s1;
< span class = "caption" > 图 4-1: 将值 `"hello"` 绑定给 `s1` 的 `String` 在内存中的表现形式</ span >
长度表示 `String` 的内容当前使用了多少字节的内存。容量是 `String` 从操作系统 总共获取了多少字节的内存。长度与容量的区别是很重要的,不过在当前上下文中并不重要,所以现在可以忽略容量。
长度表示 `String` 的内容当前使用了多少字节的内存。容量是 `String` 从分配器 总共获取了多少字节的内存。长度与容量的区别是很重要的,不过在当前上下文中并不重要,所以现在可以忽略容量。
当我们将 `s1` 赋值给 `s2` , `String` 的数据被复制了,这意味着我们从栈上拷贝了它的指针、长度和容量。我们并没有复制指针指向的堆上数据。换句话说,内存中数据的表现如图 4-2 所示。
@ -167,7 +167,7 @@ let s2 = s1;
之前我们提到过当变量离开作用域后, Rust 自动调用 `drop` 函数并清理变量的堆内存。不过图 4-2 展示了两个数据指针指向了同一位置。这就有了一个问题:当 `s2` 和 `s1` 离开作用域,他们都会尝试释放相同的内存。这是一个叫做 ** 二次释放**( *double free*)的错误,也是之前提到过的内存安全性 bug 之一。两次释放(相同)内存会导致内存污染,它可能会导致潜在的安全漏洞。
为了确保内存安全,这种场景下 Rust 的处理有另一个细节值得注意。与其尝试拷贝被分配的内存, Rust 则 认为 `s1` 不再有效,因此 Rust 不需要在 `s1` 离开作用域后清理任何东西。看看在 `s2` 被创建之后尝试使用 `s1` 会发生什么;这段代码不能运行:
为了确保内存安全,这种场景下 Rust 的处理有另一个细节值得注意。在 `let s2 = s1` 之后, Rust 认为 `s1` 不再有效,因此 Rust 不需要在 `s1` 离开作用域后清理任何东西。看看在 `s2` 被创建之后尝试使用 `s1` 会发生什么;这段代码不能运行:
```rust,ignore,does_not_compile
let s1 = String::from("hello");
@ -178,18 +178,22 @@ println!("{}, world!", s1);
你会得到一个类似如下的错误,因为 Rust 禁止你使用无效的引用。
```text
error[E0382]: use of moved value: `s1`
```console
$ cargo run
Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
--> src/main.rs:5:28
|
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
| -- value moved here
4 |
5 | println!("{}, world!", s1);
| ^^ value us ed here after move
|
= note: move occurs because `s1` has type `std::string::String` , which does
not implement the `Copy` trait
| ^^ value borrow ed here after move
For more information about this error, try `rustc --explain E0382` .
error: could not compile `ownership` due to previous error
```
如果你在其他语言中听说过术语 ** 浅拷贝**( *shallow copy*)和 ** 深拷贝**( *deep copy*),那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据可能听起来像浅拷贝。不过因为 Rust 同时使第一个变量无效了,这个操作被称为 ** 移动**( *move*),而不是浅拷贝。上面的例子可以解读为 `s1` 被 ** 移动** 到了 `s2` 中。那么具体发生了什么,如图 4-4 所示。
@ -234,15 +238,15 @@ println!("x = {}, y = {}", x, y);
原因是像整型这样的在编译时已知大小的类型被整个存储在栈上,所以拷贝其实际的值是快速的。这意味着没有理由在创建变量 `y` 后使 `x` 无效。换句话说,这里没有深浅拷贝的区别,所以这里调用 `clone` 并不会与通常的浅拷贝有什么不同,我们可以不用管它。
Rust 有一个叫做 `Copy` trait 的特殊注解,可以用在类似整型这样的存储在栈上的类型上(第十章详细讲解 trait) 。如果一个类型拥有 `Copy` trait, 一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。Rust 不允许自身或其任何部分实现了 `Drop` trait 的类型使用 `Copy` trait。如果我们对其值离开作用域时需要特殊处理的类型使用 `Copy` 注解,将会出现一个编译时错误。要学习如何为你的类型增加 `Copy` 注解 ,请阅读附录 C 中的 [“可派生的 trait”][derivable-traits]。
Rust 有一个叫做 `Copy` trait 的特殊注解,可以用在类似整型这样的存储在栈上的类型上(第十章详细讲解 trait) 。如果一个类型实现了 `Copy` trait, 那么 一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。Rust 不允许自身或其任何部分实现了 `Drop` trait 的类型使用 `Copy` trait。如果我们对其值离开作用域时需要特殊处理的类型使用 `Copy` 注解,将会出现一个编译时错误。要学习如何为你的类型添加 `Copy` 注解以实现该 trait ,请阅读附录 C 中的 [“可派生的 trait”][derivable-traits]。
那么什么类型是 `Copy` 的呢?可以查看给定类型的文档来确认,不过作为一个通用的规则,任何简单标量值的组合可以是 `Copy` 的,不需要分配内存或某种形式资源的类型是 `Copy` 的 。如下是一些 `Copy` 的类型:
那么哪些类型实现了 `Copy` trait 呢?你可以查看给定类型的文档来确认,不过作为一个通用的规则,任何一组简单标量值的组合都可以实现 `Copy` ,任何不需要分配内存或某种形式资源的类型都可以实现 `Copy` 。如下是一些 `Copy` 的类型:
* 所有整数类型,比如 `u32` 。
* 布尔类型,`bool`,它的值是 `true` 和 `false` 。
* 所有浮点数类型,比如 `f64` 。
* 字符类型,`char`。
* 元组,当且仅当其包含的类型也都是 `Copy` 的时候。比如,`(i32, i32)` 是 `Copy` 的,但 `(i32, String)` 就不是 。
* 元组,当且仅当其包含的类型也都实现 `Copy` 的时候。比如,`(i32, i32)` 实现了 `Copy` ,但 `(i32, String)` 就没有 。
### 所有权与函数
@ -342,7 +346,8 @@ fn calculate_length(s: String) -> (String, usize) {
但是这未免有些形式主义, 而且这种场景应该很常见。幸运的是, Rust 对此提供了一个功能,叫做 ** 引用**( *references*)。
[data-types]: ch03-02-data-types.html#data-types
[data-types]: ch03-02-data-types.html#数据类型
[derivable-traits]: appendix-03-derivable-traits.html
[method-syntax]: ch05-03-method-syntax.html#method-syntax
[method-syntax]: ch05-03-method-syntax.html#方法语法
[paths-module-tree]: ch07-03-paths-for-referring-to-an-item-in-the-module-tree.html
[drop]: https://doc.rust-lang.org/std/ops/trait.Drop.html#tymethod.drop