文章目录
- 一、概述
- 二、栈（Stack）与堆（Heap）
- 2.1、栈
- 2.2、堆
- 2.3、性能区别
- 2.4、所有权与堆栈
- 三、所有权原则
- 3.1、变量作用域
- 3.2、简单介绍String类型
- 四、变量绑定背后的数据交互
- 4.1、转移所有权
- 4.2、克隆（深拷贝）
- 4.3、拷贝（浅拷贝）
- 4.4、函数传值与返回
一、概述
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：
1、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。
2、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++。
3、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。
二、栈（Stack）与堆（Heap）
栈和堆是编程语言最核心的数据结构，但是在很多语言中，你并不需要深入了解栈与堆。 但对于 Rust 这样的系统编程语言，值是位于栈上还是堆上非常重要, 因为这会影响程序的行为和性能。
栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。
2.1、栈
栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值，这也被称作后进先出。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，再从顶部拿走。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，移出数据则叫做出栈。
因为上述的实现方式，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间，假设数据大小是未知的，那么在取出数据时，你将无法取到你想要的数据。
2.2、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。
2.3、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。
**加粗样式****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，处理器处理和分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。
2.4、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。
对于其他很多编程语言，你确实无需理解堆栈的原理，但是在 Rust 中，明白堆栈的原理，对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助。
三、所有权原则
理解了堆栈，接下来看一下关于所有权的规则，首先请谨记以下规则：
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)。
3.1、变量作用域
作用域是一个变量在程序中有效的范围, 假如有这样一个变量：
let s = "hello"变量 s 绑定到了一个字符串字面值，该字符串字面值是硬编码到程序代码中的。s 变量从声明的点开始直到当前作用域的结束都是有效的：
{ // s 在这里无效，它尚未声明
let s = "hello"; // 从此处起，s 是有效的
// 使用 s
} // 此作用域已结束，s不再有效简而言之，s 从创建伊始就开始有效，然后有效期持续到它离开作用域为止，可以看出，就作用域来说，Rust 语言跟其他编程语言没有区别。
3.2、简单介绍String类型
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：
1、字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中
2、并非所有字符串的值都能在编写代码时得知
例如，字符串是需要程序运行时，通过用户动态输入然后存储在内存中的，这种情况，字符串字面值就完全无用武之地。 为此，Rust 为我们提供动态字符串类型: String, 该类型被分配到堆上，因此可以动态伸缩，也就能存储在编译时大小未知的文本。
可以使用下面的方法基于字符串字面量来创建 String 类型：
let s = String::from("hello");:: 是一种调用操作符，这里表示调用 String 中的 from 方法，因为 String 存储在堆上是动态的，你可以这样修改它：
let mut s = String::from("hello");
s.push_str(", world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值
println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`四、变量绑定背后的数据交互
4.1、转移所有权
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。实际上，上一章我们讲到的 Rust 基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的，就像上面代码一样。
然后再来看一段代码：
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1; 对于基本类型（存储在栈上），Rust 会自动拷贝，但是 String 不是基本类型，而且是存储在堆上的，因此不能自动拷贝。
实际上， 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，如果你有 Go 语言的经验，这里就很好理解：容量是堆内存分配空间的大小，长度是目前已经使用的大小。
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：
1、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
2、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。
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。
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)。
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听起来就像浅拷贝，但是又因为 Rust 同时使第一个变量 s1 无效了，因此这个操作被称为 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，用一张图简单说明：
4.2、克隆（深拷贝）
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);4.3、拷贝（浅拷贝）
let x = 5;
let y = x;
println!("x = {}, y = {}", x, y); 像整型这样的基本类型在编译时是已知大小的，会被存储在栈上，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（x、y 都仍然有效）。换句话说，这里没有深浅拷贝的区别，因此这里调用 clone 并不会与通常的浅拷贝有什么不同，我们可以不用管它（可以理解成在栈上做了深拷贝）。
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：
1、所有整数类型，比如 u32。
2、布尔类型，bool，它的值是 true 和 false。
3、所有浮点数类型，比如 f64。
4、字符类型，char。
5、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。
6、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。
4.4、函数传值与返回
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
}
