这篇教程是现行3个Rust所有权系统之一。所有权系统是Rust最独特且最引人入胜的特性之一,也是作为Rust开发者应该熟悉的。Rust所追求最大的目标 -- 内存安全,关键在于所有权。所有权系统有一些不同的概念,每个概念独自成章:
这3章依次互相关联,你需要完整地阅读全部3章来对Rust的所有权系统进行全面的了解。
原则(Meta)
在我们开始详细讲解之前,这有两点关于所有权系统重要的注意事项。
Rust注重安全和速度。它通过很多零开销抽象(zero-cost abstractions)来实现这些目标,也就是说在Rust中,实现抽象的开销尽可能的小。所有权系统是一个典型的零开销抽象的例子。本文提到所有的分析都是在编译时完成的。你不需要在运行时为这些功能付出任何开销。
然而,这个系统确实有一个开销:学习曲线。很多Rust初学者会经历我们所谓的“与借用检查器作斗争”的过程,也就是指Rust编译器拒绝编译一个作者认为合理的程序。这种“斗争”会因为程序员关于所有权系统如何工作的基本模型与Rust实现的实际规则不匹配而经常发生。当你刚开始尝试Rust的时候,你很可能会有相似的经历。然而有一个好消息:更有经验的Rust开发者反应,一旦他们适应所有权系统一段时间之后,与借用检查器的冲突会越来越少。
记住这些之后,让我们来学习有关生命周期的内容。
生命周期
借出一个其它人所有资源的引用可以是很复杂的。例如,想象一下下列操作:
- 我获取了一个某种资源的句柄
- 我借给你了一个引用
- 我决定不再需要这个资源了,然后释放了它,这时你仍然持有它的引用
- 你决定使用这个资源
噢!你的引用指向一个无效的资源。这叫做悬垂指针(dangling pointer)或者“释放后使用”,如果这个资源是内存的话。
要修正这个问题的话,我们必须确保第四步永远也不在第三步之后发生。Rust所有权系统通过一个叫生命周期(lifetime)的概念来做到这一点,它定义了一个引用有效的作用域。
当我们有一个获取引用作为参数的函数,我们可以隐式或显式涉及到引用的生命周期:
// implicit
fn foo(x: &i32) {
}
// explicit
fn bar<"a>(x: &"a i32) {
}
"a
读作“生命周期a”。技术上讲,每一个引用都有一些与之相关的生命周期,不过编译器在通常情况让你可以省略它们。在我们讲到它之前,让我们拆开显式的例子看看:
fn bar<"a>(...)
这一部分声明了我们的生命周期。它说bar
有一个生命周期,"a
。如果我们有两个生命周期,它看起来像这样:
fn bar<"a, "b>(...)
接着在我们的参数列表中,我们使用了我们命名的生命周期:
...(x: &"a i32)
如果我们想要一个&mut
引用,我们这么做:
...(x: &"a mut i32)
如果你对比一下&mut i32
和&"a mut i32
,他们是一样的,只是后者在&
和mut i32
之间夹了一个"a
生命周期。&mut i32
读作“一个i32
的可变引用”,而&"a mut i32
读作“一个带有生命周期"a的i32的可变引用”。
当你处理结构体时你也需要显式的生命周期:
struct Foo<"a> {
x: &"a i32,
}
fn main() {
let y = &5; // this is the same as `let _y = 5; let y = &_y;`
let f = Foo { x: y };
println!("{}", f.x);
}
如你所见,struct
也可以有生命周期。跟函数类似的方法,
struct Foo<"a> {
声明一个生命周期,接着
x: &"a i32,
使用它。然而为什么这里我们需要一个生命周期呢?因为我们需要确保任何Foo
的引用不能比它包含的i32
的引用活的更久。
理解作用域(Thinking in scopes)
理解生命周期的一个办法是想象一个引用有效的作用域。例如:
fn main() {
let y = &5; // -+ y goes into scope
// |
// stuff // |
// |
} // -+ y goes out of scope
加入我们的Foo
:
struct Foo<"a> {
x: &"a i32,
}
fn main() {
let y = &5; // -+ y goes into scope
let f = Foo { x: y }; // -+ f goes into scope
// stuff // |
// |
} // -+ f and y go out of scope
我们的f
生存在y
的作用域之中,所以一切正常。那么如果不是呢?下面的代码不能工作:
struct Foo<"a> {
x: &"a i32,
}
fn main() {
let x; // -+ x goes into scope
// |
{ // |
let y = &5; // ---+ y goes into scope
let f = Foo { x: y }; // ---+ f goes into scope
x = &f.x; // | | error here
} // ---+ f and y go out of scope
// |
println!("{}", x); // |
} // -+ x goes out of scope
噢!就像你在这里看到的一样,f
和y
的作用域小于x
的作用域。不过当我们尝试x = &f.x
时,我们让x
引用一些将要离开作用域的变量。
命名作用域用来赋予作用域一个名字。有了名字是我们可以谈论它的第一步。
"static
叫做static
的作用域是特殊的。它代表其具有一个整个程序的作用域。大部分Rust程序员当他们处理字符串时第一次遇到"static
:
let x: &"static str = "Hello, world.";
基本字符串是&"static str
类型的因为它的引用一直有效:它们被写入了最终库文件的数据段。另一个例子是全局量:
static FOO: i32 = 5;
let x: &"static i32 = &FOO;
它在二进制文件的数据段中保存了一个i32
,而x
是它的一个引用。
生命周期省略(Lifetime Elision)
Rust支持强大的在函数体中的局部类型推断,不过这在项签名中是禁止的以便允许只通过项签名本身推导出类型。然而,为了一些人道原因有第二个非常限制的叫做“生命周期省略”的推断算法适用于函数签名。它只基于签名部分自身推断而不涉及函数体,只推断生命周期参数,并且只基于3个易于记忆和无歧义的规则,虽然并不隐藏它涉及到的实际类型因为局部推断可能会适用于它。
当我们讨论生命周期省略的时候,我们使用输入生命周期和输出生命周期(input lifetime and output lifetime.)。_输入生命周期_是关于函数参数的,而_输出生命周期_是关于函数返回值的。例如,这个函数有一个输入生命周期:
fn foo<"a>(bar: &"a str)
这个有一个输出生命周期:
fn foo<"a>() -> &"a str
这个两者皆有:
fn foo<"a>(bar: &"a str) -> &"a str
这里有3条规则:
- 每一个被省略的函数参数成为一个不同的生命周期参数。
- 如果确实有一个输入生命周期,不管是否省略,这个生命周期被赋予所有函数返回值中被省略的生命周期。
- 如果这里有多个输入生命周期,不过它们当中有一个是
&self
或者&mut self
,self
的生命周期被赋予所有省略的输出生命周期。
否则,省略一个输出生命周期将是一个错误。
例子
这里有一些省略了生命周期的函数的例子。我们用它们的扩展形式配对了每个省略了生命周期的例子。
fn print(s: &str); // elided
fn print<"a>(s: &"a str); // expanded
fn debug(lvl: u32, s: &str); // elided
fn debug<"a>(lvl: u32, s: &"a str); // expanded
// In the preceding example, `lvl` doesn’t need a lifetime because it’s not a
// reference (`&`). Only things relating to references (such as a `struct`
// which contains a reference) need lifetimes.
fn substr(s: &str, until: u32) -> &str; // elided
fn substr<"a>(s: &"a str, until: u32) -> &"a str; // expanded
fn get_str() -> &str; // ILLEGAL, no inputs
fn frob(s: &str, t: &str) -> &str; // ILLEGAL, two inputs
fn frob<"a, "b>(s: &"a str, t: &"b str) -> &str; // Expanded: Output lifetime is unclear
fn get_mut(&mut self) -> &mut T; // elided
fn get_mut<"a>(&"a mut self) -> &"a mut T; // expanded
fn args<T:ToCStr>(&mut self, args: &[T]) -> &mut Command // elided
fn args<"a, "b, T:ToCStr>(&"a mut self, args: &"b [T]) -> &"a mut Command // expanded
fn new(buf: &mut [u8]) -> BufWriter; // elided
fn new<"a>(buf: &"a mut [u8]) -> BufWriter<"a> // expanded