所有权与借用
此笔记记录于Rust Course，大多数为其中的摘要，少数为笔者自己的理解
所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成了重中之重，也是所有编程语言设计的难点之一。在计算机语言不断演变过程中，出现了三种流派：
- 垃圾回收机制(GC)，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：Java、Go
- 手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++
- 通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查
其中 Rust 选择了第三种，最妙的是，这种检查只发生在编译期，因此对于程序运行期，不会有任何性能上的损失。
栈(Stack)与堆(Heap)
- 栈：栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间
- 堆：与栈不同，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上
当向堆上放入数据时，需要请求一定大小的内存空间。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, 该过程被称为在堆上分配内存，有时简称为 “分配”(allocating)。
接着，该指针会被推入栈中，因为指针的大小是已知且固定的，在后续使用过程中，你将通过栈中的指针，来获取数据在堆上的实际内存位置，进而访问该数据。
由上可知，堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭: 进入餐馆，告知服务员有几个人，然后服务员找到一个够大的空桌子（堆上分配的内存空间）并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过桌号（栈上的指针）来找到你们坐在哪。
性能区别
写入方面：入栈比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。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，接着做一些记录为下一次分配做准备。
读取方面：得益于 CPU 高速缓存，使得处理器可以减少对内存的访问，高速缓存和内存的访问速度差异在 10 倍以上！栈数据往往可以直接存储在 CPU 高速缓存中，而堆数据只能存储在内存中。访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须先访问栈再通过栈上的指针来访问内存。
因此，处理器处理分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。
所有权与堆栈
当你的代码调用一个函数时，传递给函数的参数（包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量）依次被压入栈中，当函数调用结束时，这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。
因为堆上的数据缺乏组织，因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的，否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。
所有权原则
1. Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者2. 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者3. 当所有者(变量)离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)
String类型的简单介绍
我们已经见过字符串字面值 let s ="hello"，s 是被硬编码进程序里的字符串值（类型为 &str ）。字符串字面值是很方便的，但是它并不适用于所有场景。原因有二：
- 字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中
- 并非所有字符串的值都能在编写代码时得知
let s = String::from("hello");变量绑定背后的数据交互
转移所有权
先来看一段代码：
let x = 5;
let y = x;代码背后的逻辑很简单, 将 5 绑定到变量 x；接着拷贝 x 的值赋给 y，最终 x 和 y 都等于 5，因为整数是 Rust 基本数据类型，是固定大小的简单值，因此这两个值都是通过自动拷贝的方式来赋值的，都被存在栈中，完全无需在堆上分配内存。
可能有同学会有疑问：这种拷贝不消耗性能吗？实际上，这种栈上的数据足够简单，而且拷贝非常非常快，只需要复制一个整数大小（i32，4 个字节）的内存即可，因此在这种情况下，拷贝的速度远比在堆上创建内存来得快的多。
然后再来看一段代码：
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;String 类型是一个复杂类型，由存储在栈中的堆指针、字符串长度、字符串容量共同组成，其中堆指针是最重要的，它指向了真实存储字符串内容的堆内存，至于长度和容量。
总之 String 类型指向了一个堆上的空间，这里存储着它的真实数据，下面对上面代码中的 let s2 = s1 分成两种情况讨论：
- 拷贝
String和存储在堆上的字节数组 如果该语句是拷贝所有数据(深拷贝)，那么无论是String本身还是底层的堆上数据，都会被全部拷贝，这对于性能而言会造成非常大的影响 - 只拷贝
String本身 这样的拷贝非常快，因为在 64 位机器上就拷贝了8字节的指针、8字节的长度、8字节的容量，总计 24 字节，但是带来了新的问题，还记得我们之前提到的所有权规则吧？其中有一条就是：一个值只允许有一个所有者，而现在这个值（堆上的真实字符串数据）有了两个所有者：s1和s2。
好吧，就假定一个值可以拥有两个所有者，会发生什么呢？
当变量离开作用域后，Rust 会自动调用 drop 函数并清理变量的堆内存。不过由于两个 String 变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s1 和 s2 离开作用域，它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。
因此，Rust 这样解决问题：当 s1 赋予 s2 后，Rust 认为 s1 不再有效，因此也无需在 s1 离开作用域后 drop 任何东西，这就是把所有权从 s1 转移给了 s2，s1 在被赋予 s2 后就马上失效了。
对比其他语言，即Rust无法浅拷贝堆上的数据，只能转移。
深拷贝
首先，Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何自动的复制都不是深拷贝，可以被认为对运行时性能影响较小。
如果我们确实需要深度复制 String 中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做 clone 的方法。
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();
println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);如果代码性能无关紧要，例如初始化程序时，或者在某段时间只会执行一次时，你可以使用
clone来简化编程。但是对于执行较为频繁的代码(热点路径)，使用clone会极大的降低程序性能，需要小心使用！
浅拷贝
浅拷贝只发生在栈上，因此性能很高，在日常编程中，浅拷贝无处不在。
Rust 有一个叫做 Copy 的特征，可以用在类似整型这样在栈中存储的类型。如果一个类型拥有 Copy 特征，一个旧的变量在被赋值给其他变量后仍然可用。
那么什么类型是可 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： 任何基本类型的组合可以 Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以 Copy 的。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 - 不可变引用
&T，例如转移所有权中的最后一个例子，但是注意: 可变引用&mut T是不可以 Copy的
函数的传值与返回
将值传递给函数，一样会发生 移动 或者 复制，就跟 let 语句一样，下面的代码展示了所有权、作用域的规则：
fn main() {
let s = String::from("hello"); // s 进入作用域
takes_ownership(s); // s 的值移动到函数里 ...
// ... 所以到这里不再有效
let x = 5; // x 进入作用域
makes_copy(x); // x 应该移动函数里，
// 但 i32 是 Copy 的，所以在后面可继续使用 x
} // 这里, x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
// 所以不会有特殊操作
fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。占用的内存被释放
fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。不会有特殊操作同样的，函数返回值也有所有权，例如:
fn main() {
let s1 = gives_ownership(); // gives_ownership 将返回值
// 移给 s1
let s2 = String::from("hello"); // s2 进入作用域
let s3 = takes_and_gives_back(s2); // s2 被移动到
// takes_and_gives_back 中,
// 它也将返回值移给 s3
} // 这里, s3 移出作用域并被丢弃。s2 也移出作用域，但已被移走，
// 所以什么也不会发生。s1 移出作用域并被丢弃
fn gives_ownership() -> String { // gives_ownership 将返回值移动给
// 调用它的函数
let some_string = String::from("hello"); // some_string 进入作用域.
some_string // 返回 some_string 并移出给调用的函数
}
// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 进入作用域
a_string // 返回 a_string 并移出给调用的函数
}所有权很强大，避免了内存的不安全性，但是也带来了一个新麻烦： 总是把一个值传来传去来使用它。 传入一个函数，很可能还要从该函数传出去，结果就是语言表达变得非常啰嗦，幸运的是，Rust 提供了新功能解决这个问题。
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。
引用与解引用
fn main() {
let x = 5;
let y = &x;
assert_eq!(5, x);
assert_eq!(5, *y);
}不可变引用
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：
fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let len = calculate_length(&s1);
println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}
fn calculate_length(s: &String) -> usize {
s.len()
}能注意到两点：
- 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
calculate_length的参数s类型从String变为&String
这里，
&符号即是引用，它们允许你使用值，但是不获取所有权通过
&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。
引用指向的值默认也是不可变的
可变引用
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
change(&mut s);
}
fn change(some_string: &mut String) {
some_string.push_str(", world");
}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。
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：
- 两个或更多的指针同时访问同一数据
- 至少有一个指针被用来写入数据
- 没有同步数据访问的机制
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！
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：
let mut s = String::from("hello");
{
let r1 = &mut s;
} // 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
let r2 = &mut s;可变引用与不可变引用不能同时存在
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s; // 没问题
let r2 = &s; // 没问题
let r3 = &mut s; // 大问题
println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);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。
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：
fn main() {
let mut s = String::from("hello");
let r1 = &s;
let r2 = &s;
println!("{} and {}", r1, r2);
// 新编译器中，r1,r2作用域在这里结束
let r3 = &mut s;
println!("{}", r3);
} // 老编译器中，r1、r2、r3作用域在这里结束
// 新编译器中，r3作用域在这里结束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。
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。
NLL
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。
悬垂引用(Dangling References)
悬垂引用也叫做悬垂指针，意思为指针指向某个值后，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：当你获取数据的引用后，编译器可以确保数据不会在引用结束前被释放，要想释放数据，必须先停止其引用的使用。让我们尝试创建一个悬垂引用，Rust 会抛出一个编译时错误：
fn main() {
let reference_to_nothing = dangle();
}
fn dangle() -> &String { // dangle 返回一个字符串的引用
let s = String::from("hello"); // s 是一个新字符串
&s // 返回字符串 s 的引用
} // 这里 s 离开作用域并被丢弃。其内存被释放。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！
其中一个很好的解决方法是直接返回 String：
fn no_dangle() -> String {
let s = String::from("hello");
s
}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。
借用规则总结
总的来说，借用规则如下：
- 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
- 引用必须总是有效的