30天拿下Rust之引用

概述

在Rust语言中，引用机制是其所有权系统的重要组成部分，它为开发者提供了一种既高效又安全的方式来访问和共享数据。引用可以被视为一个指向内存地址的指针，它允许我们间接地访问和操作存储在内存中的数据。与其他语言中的指针不同，Rust中的引用是类型安全的，并且会在编译时进行严格检查，以确保不会出现悬挂引用或野指针。Rust提供了两种类型的引用：不可变引用（&）和可变引用（&mut）。

不可变引用

在Rust中，不可变引用使用&符号表示，是一种指向数据但不允许修改该数据的引用。通过使用不可变引用，Rust能够确保数据在引用期间保持不变，从而提供了内存安全性和并发安全性。
不可变引用具有以下三个特点。
安全性：不可变引用保证了在引用存在期间，所引用的数据不会被意外地修改，这有助于避免数据竞争和潜在的并发问题。
共享性：多个不可变引用可以指向同一个数据项，因为它们都不会修改数据，这允许多个线程或函数安全地共享数据。
零成本：由于不可变引用不会修改数据，因此编译器可以优化掉一些不必要的检查，从而提高了程序的性能。
在下面的示例代码中，text作为不可变引用传递到print_text函数中。在print_text函数内部，由于s是不可变引用，我们不能修改s。print_text函数执行完成后，text仍然有效，因为text没有将所有权转移给函数，函数的参数s只是text的一个不可变引用。

fn print_text(s: &str) {
    // s是不可变引用，不能被修改
    println!("text is: {}", s);
}

fn main() {
    let text: String = String::from("Hello World");
    // 传递不可变引用给函数
    print_text(&text);
    // text仍然有效
    println!("{}", text);
}

注意：给一个变量指定不可变引用后，不能再转移变量的所有权。

fn main() {
    let str1 = String::from("World");
    let str2: &String = &str1;
    // 编译错误：move out of `str1` occurs here
    let str3 = str1;
    println!("{}", str2);
}

在上面的示例代码中，str2是str1的不可变引用。但接下来，又将str1赋值给了str3，这就导致str1的所有权转移给了str3。Rust能检测到这种错误的情况，从而导致编译通不过。正确的代码应当是重新给str2指定不可变引用的对象，因为str1已经失效了，具体可参见下面的示例代码。

fn main() {
    let str1 = String::from("World");
    let mut str2: &String = &str1;
    let str3 = str1;
    str2 = &str3;
    println!("{}", str2);
}

可变引用

在Rust中，可变引用使用&mut符号表示，是一种允许修改所指向数据的引用。与不可变引用不同，可变引用提供了一种在运行时修改数据的能力。但同时，也带来了更严格的借用规则和所有权要求，以确保内存安全性和数据一致性。
可变引用具有以下三个特点。
修改能力：可变引用允许你修改所指向的数据。这是通过解引用操作符（*）来实现的，它允许你直接访问和修改引用的值。
唯一性：在同一时间，只能有一个可变引用指向某个特定的数据项。这是Rust的借用检查器强制执行的规则，以防止数据竞争和不一致的状态。
借用规则：可变引用必须遵循严格的借用规则。在借用检查器的控制下，一个数据项在同一时间只能被一个可变引用所借用，或者可以被多个不可变引用所借用。这确保了数据在修改时，不会被其他代码意外地访问或修改。
在下面的示例代码中，我们首先创建了一个可变引用mut_text指向text。接着，尝试创建另一个可变引用 mut_text2指向同一个 text，这会导致编译错误，因为Rust只允许有一个可变引用。同样，如果尝试创建一个不可变引用text2指向text，这也会导致编译错误，因为text已经被mut_text借用为可变引用了。最后，我们通过mut_text可变引用修改了text的值，并在println!语句中输出了修改后的text。

fn main() {
    let mut text = String::from("Hello");
    
    // 创建一个可变引用到text
    let mut_text: &mut String = &mut text;

    // 不能同时存在多个可变引用，编译报错
    // let mut_text2 = &mut text;

    // 不可以同时存在可变引用和不可变引用，编译报错
    // let text2 = &text;
    
    // 通过可变引用修改值
    mut_text.push_str(", World");
    
    // 原字符串text被修改，输出："Hello, World"
    println!("{}", text);
}

可变引用也称为借用，它允许我们临时获取数据项的所有权，而不需要将数据项的所有权转移到另一个变量上。当我们借用数据时，我们实际上是借用了数据的所有权，而不是拥有它。这种借用是有生命周期限制的，并且必须遵守Rust的借用规则。借用的生命周期是隐式的，必须在其所有者（即被借用的数据项）的生命周期内，并与借用发生时的上下文相关。

悬垂引用

在Rust中，悬垂引用是指一个引用指向的内存区域已经被释放，或者不再有效。这种现象在其他一些语言中可能导致未定义行为或程序崩溃，因为尝试访问已被释放的内存是不安全的。
Rust通过其所有权和生命周期系统，严格防止了悬垂引用的发生。当一个值的所有权离开作用域时，Rust会自动清理该值所占用的内存空间。如果存在对该值的引用，由于Rust的借用规则，这些引用在所有者被销毁前不能存在，从而避免了悬垂引用的情况。
在下面的示例代码中，我们试图从函数内部返回一个局部变量的引用。这会导致编译错误，因为在函数执行完毕后，text这个局部变量会被销毁，返回的引用将是无效的（即：悬垂引用）。Rust的编译器会检查代码，以确保不存在悬垂引用。如果你尝试编写可能导致悬垂引用的代码，编译器会报错。这是Rust语言的一个重要特性，它允许程序员在编译时捕获这类错误，而不是等到运行时才出现错误。

fn test() -> &String {
    let text = String::from("Hello, World");

    // 返回对局部变量的引用，该局部变量会在函数结束时被释放，故会编译报错
    return &text; 
}

fn main() {
    let result = test();
    println!("{}", result);
}

总结

引用在Rust中非常重要，因为它是实现Rust所有权系统和内存安全性的关键部分。通过引入不可变引用和可变引用，Rust允许程序以更安全的方式操作数据，同时避免了多线程环境下的数据竞争问题。此外，Rust的引用还具有生命周期的概念，这确保了引用的有效性，防止了悬垂引用等问题的发生。

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