深入理解Rust所有权机制

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  团队博客: 汽车电子社区

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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ÿ