【第五课】Rust所有权系统（一）

前言

这节课我们来介绍下rust中最重要的一个点：所有权系统。这是网上经常说rust无gc的秘密所在。在开始之前，我们来想想JVM系语言，在做垃圾回收的过程，1.怎么找到垃圾，或者说怎么判断该内存上放的是垃圾。2.什么时候清理垃圾。3.怎么清除垃圾。JVM上不同的垃圾回收器，不同的垃圾回收算法都是围绕着这三个问题展开。我们假设一个场景：中学班级毕业，所有毕业的同学需要写完毕业手册后才能离开教室，离开教室后可以清理该同学的东西了。怎么做呢？当同学离开教室的时候，这个同学的东西就可以被清理了。什么叫做离开教室呢？我们都知道代码是有作用域的，说的简单就是那对{}，当某个变量离开作用域后，这个变量如果是某块内存的所有者，那么这块内存就可以被释放了，是不是很有趣的思路，其实在c/c++中，内存的释放是程序员自己写的，rust中的内存释放是靠所有权系统保证的，在编译阶段rust编译器会根据所有权系统的规则对代码进行检查，保证内存都能正确的申请和释放，如果不满足规则，编译就不允许通过，这也是很多人说rust不能一次编译，但是一旦编译通过，就是安全可靠的程序。这节课我们来看看rust中所有权系统吧，提前预告涉及的概念多且陌生，耐心看完。

听起来rust中的内存回收是不是挺简单的，只要同学离开教室就可以清理该同学的东西了，假设某本字典是A同学和B同学一起买的，当A同学离开的时候，把字典清理了，这时候B同学想查字典就会造成空指针，这就是悬垂引用，当B同学离开教室时，想要再扔一次字典，此时字典已经被扔过一次，这就会造成内存二次释放。这2个问题都是比较严重的问题。

涉及概念

所有权系统ownership system

所有权ownership

借用borrowing

生命周期lifetimes

所有权机制的核心

1.每一块内存空间都有一个所有者，该所有者对于该内存有读写权限和释放内存的权限，我们将这个所有者称为主人

2.每一块内存空间在任意时刻都只有一个主人，不能同时存在2个主人，比如上面例子中的字典，字典只能有一个主人，但是A同学可以把字典给同学B，这样主人就从A转移给B，其他同学可以借字典使用，但是B才是主人，哪些不是主人的同学没有释放内存的权限，所以离开教室时不会丢字典

3.当主人离开作用域时，该主人释放他的内存区域

再谈变量绑定

再一次看看变量绑定

fn main() {
    let x = "hello".to_string();
}

知道为什么在其他语言中这样的代码叫做变量x的声明和初始化，但是在rust中这叫做变量绑定了吧，将字符串绑定到变量x上，从此之后，x就是hello所在内存的主人了，当x走出了作用域之后，hello所在的内存就要被清理。

主人变更-所有权转移

我们说过主人是可以变更的，那么怎么变更呢，通过赋值，下面的代码hello的主人第一次是x，在y = x后，hello的主人已经是y了，这种行为叫做移动move，也叫做所有权转移，但是这里要注意一下，有些值是移动，有些值是复制，比如一些基本类型，例如数字，当操作y=x时，是复制了一个值出来，假设x=7，当操作y=x时，此时内存中有2个7，他们的主人分别是x和y，但是像字符串这样的，才是移动。

重要的3句话：

1.rust中有2种语义：复制语义和移动语义

2.复制语义不会导致所有权转移，移动语义会导致所有权变更

3.实现了Copy trait的都是复制语义，没有实现Copy trait的都是移动语义

所以很简单了，根据上面的三句话，基本类型实现了Copy，所有权不会转移，String没有实现Copy，所以会转移，对于元组，如果元组中的所有值都实现了Copy，那么元组也实现了Copy，不会转移。我贴了一个例子在后面。

fn main() {
    let x = "hello".to_string();
    {
        let y = x;
    }
}

看看这个元组的所有权例子，t1的所有元组都实现了Copy，所以t1也实现了Copy，于是在t2 = t1时，会将这个元组复制一份，t1 和 t2分别是2块不同内存的主人，因为是主人，所以我们可以访问t1的元素。t3由于存在一个String类型的元素，String是移动语义，所以t3也是移动语义，那么在t4=t3时，该元组的内存已经属于了t4，不再是t3的了，所有权发生了转移，那么当我们继续使用t3.1时，会收到报错，下面贴了报错的图，可以看到rust编译器解释的很清楚，t3因为没有实现Copy，所以它被移动了，移动了之后，我们就不能使用t3去读取元组了，因为t3不是主人了，不是主人就没有读写权限了。

fn main() {

    // 元组的所有元素都实现了copy，元组就实现了copy
    let t1 = (1, 2, true);
    let t2 = t1; // 所有权不会转移
    println!("t1.0 = {}", t1.0);

    // 元组存在元素没有实现copy，元组没有实现copy
    let t3 = (String::from("hello"), 1, 2, 3);
    let t4 = t3; // 这里所有权转移给t4， t3不再是主人
    println!("t3.1 = {}", t3.1);
}

那么结构体呢？结构体会发生所有权转移么？我们来试一试，实践出真知。

代码如下，其实对于结构体来说，不管结构体中的元素有没有实现copy，结构体默认都是移动语义，所有权会发生移动。但是大家会问，这不合理啊，如果结构体中的元素都是copy语义，结构体其实也可以是copy语义啊，是的，没错。所以说结构体默认是移动语义，如果结构体的元素都是copy语义，可以在结构体顶部加上#[derive(Copy,Clone)]后，结构体就是copy语义了，但是如果结构体中存在移动语义的元素，即使加了这个，结构依然是移动语义，关于这个derive属性，可以百度了解一下哦。

fn main() {

    let s1 = Student1{
        age: 23,
    };

    let s2 = s1;
    println!("s1.age = {}", s1.age);

    let s3 = Student2 {
        name: String::from("hello"),
    };

    let s4 = s3;
    println!("s3.name = {}", s3.name);

}

struct Student1 {
    age: i32,
}

struct Student2 {
    name: String,
}

总结

这节课是rust无gc的核心秘密所在，也是和其他编程语言非常不同的地方，rust的所有权保证了每一块内存都有自己唯一的主人，当主人离开作用域后，内存可以释放，从而rust的性能可以堪比c/c++这些需要手动申请释放内存的语言，rust程序需要的内存量比起java来说也少了很多倍，原因就在这里了。这一节课值得好好研究，也可以在网上看些其他材料综合理解，同时也欢迎大家评论交流哈。