rust学习

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所有权

Rust 的核心功能（之一）是 所有权（ownership）。虽然该功能很容易解释，但它对语言的其他部分有着深刻的影响。

所有运行的程序都必须管理其使用计算机内存的方式。一些语言中具有垃圾回收机制，在程序运行时不断地寻找不再使用的内存；在另一些语言中，程序员必须亲自分配和释放内存。Rust 则选择了第三种方式：通过所有权系统管理内存，编译器在编译时会根据一系列的规则进行检查。在运行时，所有权系统的任何功能都不会减慢程序。（其他的GC会不断运行来寻找垃圾）

因为所有权对很多程序员来说都是一个新概念，需要一些时间来适应。好消息是随着你对 Rust 和所有权系统的规则越来越有经验，你就越能自然地编写出安全和高效的代码。持之以恒！

当你理解了所有权，你将有一个坚实的基础来理解那些使 Rust 独特的功能。在本章中，你将通过完成一些示例来学习所有权，这些示例基于一个常用的数据结构：字符串。

所有权（系统）是 Rust 最独特的功能，其令 Rust 无需垃圾回收（garbage collector）即可保障内存安全。因此，理解 Rust 中所有权如何工作是十分重要的。

栈（Stack）与堆（Heap）

在很多语言中，你并不需要经常考虑到栈与堆。不过在像 Rust 这样的系统编程语言中，值是位于栈上还是堆上在更大程度上影响了语言的行为以及为何必须做出这样的抉择。我们会在本章的稍后部分描述所有权与栈和堆相关的内容，所以这里只是一个用来预热的简要解释。 栈和堆都是代码在运行时可供使用的内存，但是它们的结构不同。栈以放入值的顺序存储值并以相反顺序取出值。这也被称作 后进先出（last in, first out）。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，也从顶部拿走。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（pushing onto the stack），而移出数据叫做 出栈（popping off the stack）。 栈的操作是十分快速的，这主要是得益于它存取数据的方式：因为数据存取的位置总是在栈顶而不需要寻找一个位置存放或读取数据。另一个让操作栈快速的属性是，栈中的所有数据都必须占用已知且固定的大小。 在编译时大小未知或大小可能变化的数据，要改为存储在堆上。堆是缺乏组织的：当向堆放入数据时，你要请求一定大小的空间。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（pointer）。这个过程称作 在堆上分配内存（allocating on the heap），有时简称为 “分配”（allocating）。将数据推入栈中并不被认为是分配。因为指针的大小是已知并且固定的，你可以将指针存储在栈上，不过当需要实际数据时，必须访问指针。 想象一下去餐馆就座吃饭。当进入时，你说明有几个人，餐馆员工会找到一个够大的空桌子并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过询问来找到你们坐在哪。 访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须通过指针来访问。现代处理器在内存中跳转越少就越快（缓存）。继续类比，假设有一个服务员在餐厅里处理多个桌子的点菜。在一个桌子报完所有菜后再移动到下一个桌子是最有效率的。从桌子 A 听一个菜，接着桌子 B 听一个菜，然后再桌子 A，然后再桌子 B 这样的流程会更加缓慢。出于同样原因，处理器在处理的数据彼此较近的时候（比如在栈上）比较远的时候（比如可能在堆上）能更好的工作。在堆上分配大量的空间也可能消耗时间。

栈：

执行期间编译器自动分配，编译器用它实现函数调用，调用函数时，栈增长，函数返回时，栈收缩。局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等放在栈中

栈的特点

1. 内存分配取决于编译器，用户栈在程序运行期间可以动态的扩展和收缩。 . 和数据结构中的“栈”本质上是不一样的，但是操作方式类似于栈。
2. 数据从栈中的进出满足“后进先出”的规律。 . 栈向低地址方向增长，esp（栈指针）指向栈顶元素。

堆：

​ 动态储存器分配器维护着的一个进程的虚拟存储器区域。一般由程序员分配释放（堆在操作系统对进程初始化的时候分配），若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，每个进程，内核都维护着一个变量brk指向堆顶。

堆的特点

1. 内存分配取决于程序员，C/C++可以手动释放该片内存。 在所有权系统中，会自动完成清理堆的活动 . 和数据结构的”堆“完全两回事，没有半点关系，在这里堆的结构更像链表。
2. 所有的对象，包括数组的对象都存在堆上。 . 堆内存被所有的线程共享。
3. 引用类型总是放在堆中。
4. 堆向高地址方向增长，内核都维护的变量brk指向堆顶。

注意：值类型和指针总是放在他们被声明的地方（复杂） 当值类型的数据在方法体内被声明时，它们都应该放在栈上。 如果一个只类型被声明在方法体外且存在于一个引用类型中，那么它将会被堆里的引用类型所取代。

全局区/静态区：

全局变量、静态变量、常量的存储区域，程序终止时系统释放。

文字常量区：

存放常量字符串，程序结束后由系统释放。

程序代码区：

存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

栈和堆的区别：

1. 栈内存存储的的是局部变量，堆内存存储的是实体。 . 栈内存的更新的速度会更快些（局部变量），堆内存的更新速度相对更慢。
2. 栈内存的访问直接从地址读取数据到寄存器，然后放到目标地址，而堆内存的访问更麻烦，先将分配的地址放到寄存器，在读取地址的值，最后再放到目标文件中，开销更大。 . 栈内存是连续的空间，堆内存一般情况不是连续的，频繁地开辟空间，释放空间容易产生内存碎片（外碎片）。

栈和堆的联系：

堆中对象是直接由栈中的句柄（引用）管理者，所以堆负责产生真实对象，栈负责管理对象。 当你的代码调用一个函数时，传递给函数的值（包括可能指向堆上数据的指针）和函数的局部变量被压入栈中。当函数结束时，这些值被移出栈。 跟踪哪部分代码正在使用堆上的哪些数据，最大限度的减少堆上的重复数据的数量，以及清理堆上不再使用的数据确保不会耗尽空间，这些问题正是所有权系统要处理的。一旦理解了所有权，你就不需要经常考虑栈和堆了，不过明白了所有权的存在就是为了管理堆数据，能够帮助解释为什么所有权要以这种方式工作。

所有权规则

1. Rust 中的每一个值都有一个被称为其 所有者（owner）的变量。
2. 值有且只有一个所有者。
3. 当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。

内存与分配

就字符串字面值来说，我们在编译时就知道其内容，所以文本被直接硬编码进最终的可执行文件中。这使得字符串字面值快速且高效。不过这些特性都只得益于字符串字面值的不可变性。不幸的是，我们不能为了每一个在编译时大小未知的文本而将一块内存放入二进制文件中，并且它的大小还可能随着程序运行而改变。

对于 String 类型，为了支持一个可变，可增长的文本片段，需要在堆上分配一块在编译时未知大小的内存来存放内容。这意味着：

• 必须在运行时向操作系统请求内存。
• 需要一个当我们处理完 String 时将内存返回给操作系统的方法。

第一部分由我们完成：当调用 String::from 时，它的实现 (implementation) 请求其所需的内存。这在编程语言中是非常通用的。

然而，第二部分实现起来就各有区别了。在有 垃圾回收（garbage collector，GC）的语言中， GC 记录并清除不再使用的内存，而我们并不需要关心它。没有 GC 的话，识别出不再使用的内存并调用代码显式释放就是我们的责任了，跟请求内存的时候一样。从历史的角度上说正确处理内存回收曾经是一个困难的编程问题。如果忘记回收了会浪费内存。如果过早回收了，将会出现无效变量。如果重复回收，这也是个 bug。我们需要精确的为一个 allocate 配对一个 free。

Rust 采取了一个不同的策略：内存在拥有它的变量离开作用域后就被自动释放。

具体的细节

两个数据指针指向了同一位置。这就有了一个问题：当 s2 和 s1 离开作用域，他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。

为了确保内存安全，这种场景下 Rust 的处理有另一个细节值得注意。与其尝试拷贝被分配的内存，Rust 则认为 s1 不再有效，因此 Rust 不需要在 s1 离开作用域后清理任何东西。

因为只有 s2 是有效的，当其离开作用域，它就释放自己的内存，完毕。

另外，这里还隐含了一个设计选择：Rust 永远也不会自动创建数据的 “深拷贝”。因此，任何 自动 的复制可以被认为对运行时性能影响较小。

克隆，用于深拷贝

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 的通用函数。

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();

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

只在栈上的数据：拷贝

这里还有一个没有提到的小窍门。这些代码使用了整型并且是有效的，他们是示例 4-2 中的一部分：

let x = 5;
let y = x;

println!("x = {}, y = {}", x, y);

但这段代码似乎与我们刚刚学到的内容相矛盾：没有调用 clone，不过 x 依然有效且没有被移动到 y 中。

原因是像整型这样的在编译时已知大小的类型被整个存储在栈上，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。换句话说，这里没有深浅拷贝的区别.

Copy trait

Rust 有一个叫做 Copy trait 的特殊注解，可以用在类似整型这样的存储在栈上的类型上。如果一个类型拥有 Copy trait，一个旧的变量在将其赋值给其他变量后仍然可用。Rust 不允许自身或其任何部分实现了 Drop trait 的类型使用 Copy trait,比如string。如果我们对其值离开作用域时需要特殊处理的类型使用 Copy 注解，将会出现一个编译时错误。要学习如何为你的类型增加 Copy 注解，请阅读附录 C 中的 “可派生的 trait”。

那么什么类型是 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，任何简单标量值的组合可以是 Copy 的，不需要分配内存或某种形式资源的类型是 Copy 的。如下是一些 Copy 的类型：

• 所有整数类型，比如 u32。
• 布尔类型，bool，它的值是 true 和 false。
• 所有浮点数类型，比如 f64。
• 字符类型，char。
• 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。

悬垂引用（Dangling References）

在具有指针的语言中，很容易通过释放内存时保留指向它的指针而错误地生成一个 悬垂指针（dangling pointer），所谓悬垂指针是其指向的内存可能已经被分配给其它持有者。相比之下，在 Rust 中编译器确保引用永远也不会变成悬垂状态：当你拥有一些数据的引用，编译器确保数据不会在其引用之前离开作用域。

字符串字面值就是 slice

let s = "Hello, world!";

这里 s 的类型是 &str：它是一个指向二进制程序特定位置的 slice。这也就是为什么字符串字面值是不可变的；&str 是一个不可变引用。

structure

定义结构体，需要使用 struct 关键字并为整个结构体提供一个名字。结构体的名字需要描述它所组合的数据的意义。接着，在大括号中，定义每一部分数据的名字和类型，我们称为 字段（field）。

使用了自身拥有所有权的 String 类型而不是 &str字符串 slice 类型。这是一个有意而为之的选择，因为我们想要这个结构体拥有它所有的数据，为此只要整个结构体是有效的话其数据也是有效的。可以使结构体存储被其他对象拥有的数据的引用，不过这么做的话需要用上 生命周期（lifetimes）

使用没有命名字段的元组结构体来创建不同的类型

也可以定义与元组（在第三章讨论过）类似的结构体，称为 元组结构体（tuple structs）。元组结构体有着结构体名称提供的含义，但没有具体的字段名，只有字段的类型。当你想给整个元组取一个名字，并使元组成为与其他元组不同的类型时，元组结构体是很有用的，这时像常规结构体那样为每个字段命名就显得多余和形式化了。定义元组结构体，以 struct 关键字和结构体名开头并后跟元组中的类型。

没有任何字段的类单元结构体

我们也可以定义一个没有任何字段的结构体，它们被称为 类单元结构体（unit-like structs）因为它们类似于 ()，即 unit 类型。类单元结构体常常在你想要在某个类型上实现 trait 但不需要在类型中存储数据的时候发挥作用。

Debug 是一个 trait，它允许我们以一种对开发者有帮助的方式打印结构体，以便当我们调试代码时能看到它的值。

枚举

枚举是一个很多语言都有的功能，不过不同语言中其功能各不相同。Rust 的枚举与Haskell中的 代数数据类型（algebraic data types）最为相似。