07 所有权:值的生杀大权到底在谁手上?

你好,我是陈天。

完成了上周的“get hands dirty”挑战,相信你对 Rust 的魅力已经有了感性的认知,是不是开始信心爆棚地尝试写小项目了。

但当你写的代码变多,编译器似乎开始和自己作对了,一些感觉没有问题的代码,编译器却总是莫名其妙报错。

那么从今天起我们重归理性,一起来研究 Rust 学习过程中最难啃的硬骨头:所有权和生命周期。为什么要从这个知识点开始呢?因为,所有权和生命周期是 Rust 和其它编程语言的主要区别,也是 Rust 其它知识点的基础

很多 Rust 初学者在这个地方没弄明白,一知半解地继续学习,结果越学越吃力,最后在实际上手写代码的时候就容易栽跟头,编译总是报错,丧失了对 Rust 的信心。

其实所有权和生命周期之所以这么难学明白,除了其与众不同的解决内存安全问题的角度外,另一个很大的原因是,目前的资料对初学者都不友好,上来就讲 Copy/Move 语义怎么用,而没有讲明白为什么要这样用

所以这一讲我们换个思路,从一个变量使用堆栈的行为开始,探究 Rust 设计所有权和生命周期的用意,帮你从根上解决这些编译问题。

变量在函数调用时发生了什么

首先,我们来看一看,在我们熟悉的大多数编程语言中,变量在函数调用时究竟会发生什么、存在什么问题。

看这段代码,main() 函数中定义了一个动态数组 data 和一个值 v,然后将其传递给函数 find_pos,在 data 中查找 v 是否存在,存在则返回 v 在 data 中的下标,不存在返回 None(代码1):

fn main() {
    let data = vec![10, 42, 9, 8];
    let v = 42;
    if let Some(pos) = find_pos(data, v) {
        println!("Found {} at {}", v, pos);
    }
}

fn find_pos(data: Vec<u32>, v: u32) -> Option<usize> {
    for (pos, item) in data.iter().enumerate() {
        if *item == v {
            return Some(pos);
        }
    }

    None
}

这段代码不难理解,要再强调一下的是,动态数组因为大小在编译期无法确定,所以放在堆上,并且在栈上有一个包含了长度和容量的胖指针指向堆上的内存

在调用 find_pos() 时,main() 函数中的局部变量 data 和 v 作为参数传递给了 find_pos(),所以它们会被放在 find_pos() 的参数区。

按照大多数编程语言的做法,现在堆上的内存就有了两个引用。不光如此,我们每把 data 作为参数传递一次,堆上的内存就会多一次引用。

但是,这些引用究竟会做什么操作,我们不得而知,也无从限制;而且堆上的内存究竟什么时候能释放,尤其在多个调用栈引用时,很难厘清,取决于最后一个引用什么时候结束。所以,这样一个看似简单的函数调用,给内存管理带来了极大麻烦。

对于堆内存多次引用的问题,我们先来看大多数语言的方案:

现存方案都是从管理引用的角度思考的,有各自的弊端。我们回顾刚才梳理的函数调用过程,从源头上看,本质问题是堆上内存会被随意引用,那么换个角度,我们是不是可以限制引用行为本身呢?

Rust 的解决思路

这个想法打开了新的大门,Rust就是这样另辟蹊径的。

在 Rust 以前,引用是一种随意的、可以隐式产生的、对权限没有界定的行为,比如 C 里到处乱飞的指针、Java 中随处可见的按引用传参,它们可读可写,权限极大。而 Rust 决定限制开发者随意引用的行为。

其实作为开发者,我们在工作中常常能体会到:恰到好处的限制,反而会释放无穷的创意和生产力。最典型的就是各种开发框架,比如 React、Ruby on Rails 等,他们限制了开发者使用语言的行为,却极大地提升了生产力。

好,思路我们已经有了,具体怎么实现来限制数据的引用行为呢?

要回答这个问题,我们需要先来回答:谁真正拥有数据或者说值的生杀大权,这种权利可以共享还是需要独占?

所有权和 Move 语义

照旧我们先尝试回答一下,对于值的生杀大权可以共享还是需要独占这一问题,我们大概都会觉得,一个值最好只有一个拥有者,因为所有权共享,势必会带来使用和释放上的不明确,走回 追踪式 GC 或者 ARC 的老路。

那么如何保证独占呢?具体实现其实是有些困难的,因为太多情况需要考虑。比如说一个变量被赋给另一个变量、作为参数传给另一个函数,或者作为返回值从函数返回,都可能造成这个变量的拥有者不唯一。怎么办?

对此,Rust 给出了如下规则:

这三条规则很好理解,核心就是保证单一所有权。其中第二条规则讲的所有权转移是 Move 语义,Rust 从 C++ 那里学习和借鉴了这个概念。

第三条规则中的作用域(scope)是一个新概念,我简单说明一下,它指一个代码块(block),在 Rust 中,一对花括号括起来的代码区就是一个作用域。举个例子,如果一个变量被定义在 if {} 内,那么 if 语句结束,这个变量的作用域就结束了,其值会被丢弃;同样的,函数里定义的变量,在离开函数时会被丢弃。

在这三条所有权规则的约束下,我们看开头的引用问题是如何解决的:-

原先 main() 函数中的 data,被移动到 find_pos() 后,就失效了,编译器会保证 main() 函数随后的代码无法访问这个变量,这样,就确保了堆上的内存依旧只有唯一的引用。

看这个图,你可能会有一个小小的疑问:main() 函数传递给 find_pos() 函数的另一个参数 v,也会被移动吧?为什么图上并没有标灰?咱们暂且将这个疑问放到一边,等这一讲学完,相信你会有答案的。

现在,我们来写段代码加深一下对所有权的理解。

在这段代码里,先创建了一个不可变数据 data,然后将 data 赋值给 data1。按照所有权的规则,赋值之后,data 指向的值被移动给了 data1,它自己便不可访问了。而随后,data1 作为参数被传给函数 sum(),在 main() 函数下,data1 也不可访问了。

但是后续的代码依旧试图访问 data1 和 data,所以,这段代码应该会有两处错误(代码2):

fn main() {
    let data = vec![1, 2, 3, 4];
    let data1 = data;
    println!("sum of data1: {}", sum(data1));
    println!("data1: {:?}", data1); // error1
    println!("sum of data: {}", sum(data)); // error2
}

fn sum(data: Vec<u32>) -> u32 {
    data.iter().fold(0, |acc, x| acc + x)
}

运行时,编译器也确实捕获到了这两个错误,并清楚地告诉我们不能使用已经移动过的变量:

如果我们要在把 data1 传给 sum(),同时,还想让 main() 能够访问 data,该怎么办?

我们可以调用 data.clone() 把 data 复制一份出来给 data1,这样,在堆上就有 vec![1,2,3,4] 两个互不影响且可以独立释放的副本,如下图所示:

可以看到,所有权规则,解决了谁真正拥有数据的生杀大权问题,让堆上数据的多重引用不复存在,这是它最大的优势

但是,这也会让代码变复杂,尤其是一些只存储在栈上的简单数据,如果要避免所有权转移之后不能访问的情况,我们就需要手动复制,会非常麻烦,效率也不高。

Rust 考虑到了这一点,提供了两种方案:

  1. 如果你不希望值的所有权被转移,在 Move 语义外,Rust 提供了 Copy 语义。如果一个数据结构实现了 Copy trait,那么它就会使用 Copy 语义。这样,在你赋值或者传参时,值会自动按位拷贝(浅拷贝)。
  2. 如果你不希望值的所有权被转移,又无法使用 Copy 语义,那你可以“借用”数据,我们下一讲会详细讨论“借用”。

我们先看今天要讲的第一种方案:Copy 语义。

Copy 语义和 Copy trait

符合 Copy 语义的类型,在你赋值或者传参时,值会自动按位拷贝。这句话不难理解,那在Rust中是具体怎么实现的呢?

我们再仔细看看刚才代码编译器给出的错误,你会发现,它抱怨 data 的类型 Vec<u32>没有实现 Copy trait,在赋值或者函数调用的时候无法 Copy,于是就按默认使用 Move 语义。而 Move 之后,原先的变量 data 无法访问,所以出错。

换句话说,当你要移动一个值,如果值的类型实现了 Copy trait,就会自动使用 Copy 语义进行拷贝,否则使用 Move 语义进行移动。

讲到这里,我插一句,在学习 Rust 的时候,你可以根据编译器详细的错误说明来尝试修改代码,使编译通过,在这个过程中,你可以用 Stack Overflow 搜索错误信息,进一步学习自己不了解的知识点。我也非常建议你根据上图中的错误代码 E0382 使用 rustc --explain E0382 探索更详细的信息。

好,回归正文,那在 Rust 中,什么数据结构实现了 Copy trait 呢? 你可以通过下面的代码快速验证一个数据结构是否实现了 Copy trait(验证代码):

fn is_copy<T: Copy>() {}

fn types_impl_copy_trait() {
    is_copy::<bool>();
    is_copy::<char>();

    // all iXX and uXX, usize/isize, fXX implement Copy trait
    is_copy::<i8>();
    is_copy::<u64>();
    is_copy::<i64>();
    is_copy::<usize>();

    // function (actually a pointer) is Copy
    is_copy::<fn()>();

    // raw pointer is Copy
    is_copy::<*const String>();
    is_copy::<*mut String>();

    // immutable reference is Copy
    is_copy::<&[Vec<u8>]>();
    is_copy::<&String>();

    // array/tuple with values which is Copy is Copy
    is_copy::<[u8; 4]>();
    is_copy::<(&str, &str)>();
}

fn types_not_impl_copy_trait() {
    // unsized or dynamic sized type is not Copy
    is_copy::<str>();
    is_copy::<[u8]>();
    is_copy::<Vec<u8>>();
    is_copy::<String>();

    // mutable reference is not Copy
    is_copy::<&mut String>();

    // array/tuple with values that not Copy is not Copy
    is_copy::<[Vec<u8>; 4]>();
    is_copy::<(String, u32)>();
}

fn main() {
    types_impl_copy_trait();
    types_not_impl_copy_trait();
}

推荐你动手运行这段代码,并仔细阅读编译器错误,加深印象。我也总结一下:

另外,官方文档介绍 Copy trait 的页面包含了 Rust 标准库中实现 Copy trait 的所有数据结构。你也可以在访问某个数据结构的时候,查看其文档的 Trait implementation 部分,看看它是否实现了 Copy trait。

小结

今天我们学习了 Rust 的单一所有权模式、Move 语义、Copy 语义,我整理一下关键信息,方便你再回顾一遍。

通过单一所有权模式,Rust 解决了堆内存过于灵活、不容易安全高效地释放的问题,不过所有权模型也引入了很多新的概念,比如今天讲的 Move/Copy 语义。

由于是全新的概念,我们学习起来有一定的难度,但是你只要抓住了核心点:Rust 通过单一所有权来限制任意引用的行为,就不难理解这些新概念背后的设计意义。

下一讲我们会继续学习Rust的所有权和生命周期,在不希望值的所有权被转移,又无法使用 Copy 语义的情况下,如何“借用”数据……

思考题

今天的思考题有两道,第一道题巩固学习收获。另外第二道题如果你还记得,在文中,我提出了一个小问题,让你暂时搁置,今天学完之后就有答案了,现在你有想法了吗?欢迎留言分享出来,我们一起讨论。

  1. 在 Rust 下,分配在堆上的数据结构可以引用栈上的数据么?为什么?
  2. main() 函数传递给 find_pos() 函数的另一个参数 v,也会被移动吧?为什么图上并没有将其标灰?

欢迎在留言区分享你的思考。今天是你 Rust 学习的第七次打卡,感谢你的收听,如果你觉得有收获,也欢迎你分享给身边的朋友,邀他一起讨论。

参考资料

trait 是 Rust 用于定义数据结构行为的接口。如果一个数据结构实现了 Copy trait,那么它在赋值、函数调用以及函数返回时会执行 Copy 语义,值会被按位拷贝一份(浅拷贝),而非移动。你可以看关于 Copy trait 的资料。