理解Rust中的所有权和借用

题目

理解Rust中的所有权和借用

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

所有权系统,借用规则,可变引用

快速回答

Rust的所有权系统通过三条核心规则保证内存安全：

• 每个值有且只有一个所有者
• 值在所有者离开作用域时自动释放
• 可通过引用（&T）借用值，但同一作用域内：
  • 允许存在多个不可变引用
  • 或仅一个可变引用（&mut T）
  • 不可同时存在可变和不可变引用

原理说明

Rust的所有权系统在编译期强制执行内存安全规则，无需垃圾回收。核心机制包括：

• 所有权转移：赋值或传参时默认移动（move）语义，原变量失效
• 借用（Borrowing）：通过引用临时访问数据，不获取所有权
• 生命周期：编译器验证引用的有效性，防止悬垂指针

代码示例

// 所有权转移示例
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;  // s1的所有权转移到s2
// println!("{}", s1);  // 错误！s1已失效

// 合法借用示例
let mut s = String::from("rust");
{
    let r1 = &s;      // 不可变借用
    let r2 = &s;      // 允许多个不可变借用
    println!("{}, {}", r1, r2);
} // r1,r2离开作用域

let r3 = &mut s;     // 可变借用
r3.push_str("!");   // 修改数据
// let r4 = &s;       // 错误！已有可变借用时禁止不可变借用

最佳实践

• 优先使用不可变引用（&T）保证并发安全
• 缩小可变引用的作用域：

  let mut data = vec![1,2,3];
  // 正确做法：用花括号限制作用域
  {
      let ref_mut = &mut data;
      ref_mut.push(4);
  }
  let ref_imm = &data;  // 可变引用离开作用域后可创建不可变引用

• 对Copy类型（如i32）使用克隆而非引用

常见错误

• 错误1：违反借用规则

  let mut s = String::new();
  let r1 = &mut s;
  let r2 = &mut s; // 编译错误：不能多次可变借用

• 错误2：返回局部变量引用

  fn dangling() -> &String {
      let s = String::from("error");
      &s  // 错误！s离开作用域被释放
  }

• 错误3：迭代器失效

  let mut vec = vec![1,2,3];
  for item in &vec {
      vec.push(*item); // 错误！循环中同时持有不可变和可变借用
  }

扩展知识

• 内部可变性：通过Cell/RefCell在不可变引用下修改数据
• 生命周期标注：解决跨作用域引用的有效性，如fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str
• Arc<Mutex<T>>：线程间共享可变数据的标准方案
• NLL（Non-Lexical Lifetimes）：Rust 2018起引用的作用域精确到最后一次使用而非作用域结束