引用和出借

前面所有权部分,最后一个例子,我们必须将String返回给调用函数,因此我们仍然可以在调用calculate_length之后使用String。因为该字符串已被移入calculate_length函数。 出借就是借用的意思(borrow)。

下面将演示您将如何定义和使用对象的引用作为calculate_length函数的参数,而不是获取值的所有权

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    //类似c/c++传递指针/引用
    let len = calculate_length(&s1);
    //s1在之后还能使用
    println!("The length of '{}' is {}.", s1, len);
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

首先,请注意,变量声明和函数返回值中的所有元组代码都消失了。其次,请注意,我们将&s1传递给calculate_length,并且在其定义中,我们采用&String而不是String。

这些&符号是引用(指针,下面引用都可以认为是指针),它们使您可以引用某些值而无需拥有所有权。下面是一个示意图

&String s 指向 String s1

与&相反的是取消引用,这是通过运算符*完成的。这里与c指针用法类似。

让我们仔细看看这里的函数调用

let s1 = String::from("hello");

let len = calculate_length(&s1);

通过&s1语法,我们可以创建引用s1的引用,但该引用不属于s1。因为它不拥有它,所以当引用超出范围时,它所指向的值将不会被删除。

同样,函数的签名使用&表示参数s的类型是引用。让我们添加一些说明性注释

fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s是对字符串的引用
    s.len()
} // 在这里,s超出范围。但是因为它没有什么所有权,所以它没有发生什么。

变量s有效的作用域与任何函数参数的作用域相同,但是当它超出作用域时,由于没有所有权,我们不会删除引用指向的内容。当函数使用引用作为参数而不是实际值作为参数时,我们将不需要返回这些值来归还所有权,因为我们从未拥有过所有权。

我们称拥有引用为函数参数借用。与现实生活中一样,如果某人拥有某物,则可以向他们借用。完成后,您必须将其归还。

那么,如果我们尝试修改要借用的内容会怎样?

fn main() {
    let s = String::from("hello");

    change(&s);
}

fn change(some_string: &String) {
    some_string.push_str(", world");
}

尝试修改借的值将会报错

error[E0596]: cannot borrow immutable borrowed content `*some_string` as mutable
 --> error.rs:8:5
  |
7 | fn change(some_string: &String) {
  |                        ------- use `&mut String` here to make mutable
8 |     some_string.push_str(", world");
  |     ^^^^^^^^^^^ cannot borrow as mutable

正如变量在默认情况下是不可变的一样,引用也是如此。我们不允许修改引用的内容。如果非要改则需要使用&mut String。

可变引用

我们只需稍作调整就可以解决上面的编译错误。

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");

    change(&mut s);
}

fn change(some_string: &mut String) {
    some_string.push_str(", world");
}

首先,我们必须将s更改为mut。然后,我们必须使用&mut s创建一个可变引用,并使用some_string: &mut String接受一个可变引用。

但是可变引用有一个很大的限制:您只能在一个特定范围内对一个特定的数据进行一个可变引用。此代码将会失败:

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;//可变引用只能被出借一次,这里将会报错

println!("{}, {}", r1, r2);

编译该代码会出错

error[E0499]: cannot borrow `s` as mutable more than once at a time
 --> src/main.rs:5:14
  |
4 |     let r1 = &mut s;
  |              ------ first mutable borrow occurs here
5 |     let r2 = &mut s;
  |              ^^^^^^ second mutable borrow occurs here
6 |
7 |     println!("{}, {}", r1, r2);
  |                        -- first borrow later used here

该限制允许变动,但是以一种可控的方式。新的Rustaceans很难解决这一问题,因为大多数语言都允许您随时更改。

具有此限制的好处是Rust可以防止在编译时发生数据争用。数据争用类似于争用条件,并且在以下三种行为发生时发生:

  • 两个或多个指针同时访问相同的数据。
  • 至少有一个指针用于写入数据。
  • 没有用于同步访问数据的机制。

数据争用会导致未定义的行为,并且尝试在运行时进行跟踪时可能难以诊断和修复; Rust不会发生此问题,因为它甚至不会在数据竞争中编译代码!

与往常一样,我们可以使用大括号创建新的范围,从而允许多个可变引用,而不是同时引用:

let mut s = String::from("hello");

{
    let r1 = &mut s;

} // r1在这里超出范围,因此我们可以毫无问题地进行新引用。

let r2 = &mut s;

对于组合可变引用和不可变引用,存在类似的规则。此代码会导致错误:

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &s; // 没问题,与上面两次mut出借不一样,这里是没有mut,所以对于不可变引用,可以使用多次次,且不可在拥有不可变引用时同时拥有可变引用
let r2 = &s; // 没问题
let r3 = &mut s; // 有问题

println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);

编译将会出现下面错误

error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
 --> src/main.rs:6:14
  |
4 |     let r1 = &s; 
  |              -- immutable borrow occurs here
5 |     let r2 = &s; 
6 |     let r3 = &mut s; 
  |              ^^^^^^ mutable borrow occurs here
7 |
8 |     println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
  |                                -- immutable borrow later used here

当我们拥有不变的引用时,我们也不能拥有可变的引用。不变引用的用户不会期望值从它们下面突然改变!但是,可以使用多个不可变的引用,因为没有人会影响其他人对数据的读取。

请注意,引用的范围从引入它的地方开始,一直持续到最后一次使用该引用。例如,该代码将被编译,因为不可变引用的最后一次使用发生在引入可变引用之前:

let mut s = String::from("hello");

let r1 = &s; // 没问题
let r2 = &s; // 没问题
println!("{} and {}", r1, r2);
// 在此之后不再使用r1和r2

let r3 = &mut s; // 没问题,因为r1 r2进入println! 并且在此之后会失效
println!("{}", r3);

不可变引用r1和r2的范围在println! 之后结束。在创建可变引用r3之前,在最后一次使用它们的位置。这些范围不重叠,因此允许使用此代码。

即使借用错误有时可能令人沮丧,但请记住,Rust编译器尽早(在编译时而不是在运行时)指出了潜在的错误,并向您确切地指出了问题所在。然后,您不必追踪为什么数据不是您想像的那样。

悬垂引用

在带有指针的语言中,很容易错误地创建一个悬垂指针,即在保留指向该内存的指针的同时释放一些引用(可能已分配给其他人的内存中的位置的指针)。相比之下,在Rust中,编译器保证引用永远不会成为悬垂引用:如果您对某些数据有引用,则编译器将确保数据不会超出对数据的引用范围。

让我们尝试创建一个悬垂的引用,Rust将通过编译时错误防止该引用:

fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle();
}

fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("hello");

    &s
}

编译该代码将会出现编译错误

error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> main.rs:5:16
  |
5 | fn dangle() -> &String {
  |                ^ expected lifetime parameter
  |
  = help: this function's return type contains a borrowed value, but there is
  no value for it to be borrowed from
  = help: consider giving it a 'static lifetime

此错误消息指的是我们尚未讨论的功能:生命周期。但是,如果您忽略有关生命周期的部分,则该消息的确包含了导致此代码出现问题的关键:

this function's return type contains a borrowed value, but there is no value
for it to be borrowed from.

让我们仔细研究一下悬挂代码的每个阶段到底发生了什么:

fn dangle() -> &String { dangle返回字符串的引用

    let s = String::from("hello"); // s 是一个新的字符串

    &s // 我们返回字符串的引用 &s
} // 在此,s超出范围,并被丢弃。它的内存被释放了。

因为s是在dangle内部创建的,所以当dangle的代码完成时,将释放s。但是我们试图返回对它的引用。这意味着该引用将指向无效的String。Rust不允许我们这样做。

解决方案是直接返回String:

fn no_dangle() -> String {
    let s = String::from("hello");
    s
}

这可以正常工作。所有权被移出,没有任何东西被释放。

引用规则

让我们回顾一下我们对引用的讨论:

  • 在任何给定时间,您都可以具有一个可变引用或任意数量的不可变引用。
  • 引用必须始终有效。

引用与借用 原文 英文

可能存在部分理解不到位或有问题的地方,仅供参考。