Rust 程序设计语言

引用与借用

列表 4-5 中元组代码的问题在于，我们必须将 String 返回给调用函数，以便在调用 calculate_length 之后仍然可以使用 String，因为 String 被移动到了 calculate_length 中。 相反，我们可以提供对 String 值的引用。 *引用* 类似于指针，它是一个地址，我们可以通过该地址访问存储在该地址的数据；该数据由其他变量拥有。 与指针不同，引用保证在引用的生命周期内指向特定类型的有效值。

以下是如何定义和使用 calculate_length 函数的方法，该函数使用对对象的引用作为参数，而不是获取值的所有权

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);

    println!("The length of '{s1}' is {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已消失。 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。 这些与号表示*引用*，它们允许您引用某个值而无需取得其所有权。 图 4-6 描绘了这一概念。

图 4-6：&String s 指向 String s1 的示意图

让我们仔细看看这里的函数调用

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);

    println!("The length of '{s1}' is {len}.");
}

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

&s1 语法使我们可以创建一个*引用*，该引用*引用* s1 的值，但不拥有它。 由于引用不拥有它，因此当引用停止使用时，它指向的值不会被丢弃。

同样，函数的签名使用 & 来指示参数 s 的类型是引用。 让我们添加一些解释性注释

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let len = calculate_length(&s1);

    println!("The length of '{s1}' is {len}.");
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize { // s is a reference to a String
    s.len()
} // Here, s goes out of scope. But because s does not have ownership of what
  // it refers to, the value is not dropped.

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 s 停止使用时，引用指向的值不会被丢弃，因为 s 没有所有权。 当函数使用引用作为参数而不是实际值时，我们不需要返回这些值以交回所有权，因为我们从未拥有所有权。

我们将创建引用的操作称为*借用*。 就像在现实生活中一样，如果一个人拥有某物，您可以从他们那里借用它。 当您完成时，您必须将其归还。 您不拥有它。

那么，如果我们尝试修改我们正在借用的东西会发生什么？ 试试列表 4-6 中的代码。 剧透警告：它不起作用！

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

    change(&s);
}

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

这是错误

$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0596]: cannot borrow `*some_string` as mutable, as it is behind a `&` reference
 --> src/main.rs:8:5
  |
8 |     some_string.push_str(", world");
  |     ^^^^^^^^^^^ `some_string` is a `&` reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable
  |
help: consider changing this to be a mutable reference
  |
7 | fn change(some_string: &mut String) {
  |                         +++

For more information about this error, try `rustc --explain E0596`.
error: could not compile `ownership` (bin "ownership") due to 1 previous error

正如变量默认是不可变的一样，引用也是如此。 我们不允许修改我们引用的东西。

可变引用

我们可以修复列表 4-6 中的代码，以允许我们修改借用的值，只需进行一些小的调整，即使用*可变引用*

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

    change(&mut s);
}

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

首先，我们将 s 更改为 mut。 然后，在调用 change 函数的地方，我们使用 &mut s 创建一个可变引用，并更新函数签名以接受带有 some_string: &mut String 的可变引用。 这非常清楚地表明 change 函数将改变它借用的值。

可变引用有一个很大的限制：如果您有一个对某个值的可变引用，则不能再有其他对该值的引用。 此尝试创建两个对 s 的可变引用的代码将失败

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

    let r1 = &mut s;
    let r2 = &mut s;

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

这是错误

$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
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

For more information about this error, try `rustc --explain E0499`.
error: could not compile `ownership` (bin "ownership") due to 1 previous error

此错误表明此代码无效，因为我们不能一次多次将 s 借用为可变的。 第一个可变借用在 r1 中，并且必须持续到在 println! 中使用它为止，但是在创建该可变引用及其使用之间，我们尝试在 r2 中创建另一个可变引用，该引用借用了与 r1 相同的数据。

防止同时对同一数据进行多次可变引用的限制允许进行修改，但以非常受控的方式进行。 这是 Rust 新手会感到困惑的事情，因为大多数语言都允许您随时进行修改。 拥有此限制的好处是 Rust 可以在编译时防止数据竞争。 *数据竞争*类似于竞争条件，当发生以下三种行为时发生

• 两个或多个指针同时访问相同的数据。
• 至少有一个指针被用来写入数据。
• 没有使用任何机制来同步对数据的访问。

数据竞争会导致未定义的行为，并且当您尝试在运行时跟踪它们时，可能很难诊断和修复； Rust 通过拒绝编译包含数据竞争的代码来防止此问题！

与往常一样，我们可以使用花括号来创建一个新的作用域，从而允许多个可变引用，但不能是*同时*的引用

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

    {
        let r1 = &mut s;
    } // r1 goes out of scope here, so we can make a new reference with no problems.

    let r2 = &mut s;
}

Rust 对组合可变引用和不可变引用强制执行类似的规则。 此代码导致错误

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

    let r1 = &s; // no problem
    let r2 = &s; // no problem
    let r3 = &mut s; // BIG PROBLEM

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

这是错误

$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0502]: cannot borrow `s` as mutable because it is also borrowed as immutable
 --> src/main.rs:6:14
  |
4 |     let r1 = &s; // no problem
  |              -- immutable borrow occurs here
5 |     let r2 = &s; // no problem
6 |     let r3 = &mut s; // BIG PROBLEM
  |              ^^^^^^ mutable borrow occurs here
7 |
8 |     println!("{}, {}, and {}", r1, r2, r3);
  |                                -- immutable borrow later used here

For more information about this error, try `rustc --explain E0502`.
error: could not compile `ownership` (bin "ownership") due to 1 previous error

唷！ 当我们对同一值有一个不可变引用时，我们*也*不能有一个可变引用。

不可变引用的用户不希望值突然在他们不知情的情况下发生更改！ 但是，允许多个不可变引用，因为仅仅读取数据的人没有能力影响其他任何人对数据的读取。

请注意，引用的作用域从引入它的位置开始，一直持续到最后一次使用该引用为止。 例如，此代码将编译，因为不可变引用的最后一次使用是在 println! 中，在引入可变引用之前

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

    let r1 = &s; // no problem
    let r2 = &s; // no problem
    println!("{r1} and {r2}");
    // variables r1 and r2 will not be used after this point

    let r3 = &mut s; // no problem
    println!("{r3}");
}

不可变引用 r1 和 r2 的作用域在最后一次使用它们的 println! 之后结束，这在创建可变引用 r3 之前。 这些作用域不重叠，因此允许此代码：编译器可以判断出在作用域结束之前的某个点不再使用该引用。

即使借用错误有时可能会令人沮丧，但请记住，这是 Rust 编译器在早期（在编译时而不是在运行时）指出潜在的错误，并准确地向您显示问题所在。 这样您就不必追踪为什么您的数据不是您认为的那样。

悬垂引用

在使用指针的语言中，很容易错误地创建一个*悬垂指针*——一个指针，它引用内存中的某个位置，该位置可能已分配给其他人——通过释放一些内存，同时保留指向该内存的指针。 相比之下，在 Rust 中，编译器保证引用永远不会是悬垂引用：如果您对某些数据有引用，则编译器将确保数据在对该数据的引用超出作用域之前不会超出作用域。

让我们尝试创建一个悬垂引用，看看 Rust 如何通过编译时错误来防止它们

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

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

    &s
}

这是错误

$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> src/main.rs:5:16
  |
5 | fn dangle() -> &String {
  |                ^ expected named 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 using the `'static` lifetime, but this is uncommon unless you're returning a borrowed value from a `const` or a `static`
  |
5 | fn dangle() -> &'static String {
  |                 +++++++
help: instead, you are more likely to want to return an owned value
  |
5 - fn dangle() -> &String {
5 + fn dangle() -> String {
  |

error[E0515]: cannot return reference to local variable `s`
 --> src/main.rs:8:5
  |
8 |     &s
  |     ^^ returns a reference to data owned by the current function

Some errors have detailed explanations: E0106, E0515.
For more information about an error, try `rustc --explain E0106`.
error: could not compile `ownership` (bin "ownership") due to 2 previous errors

此错误消息引用了一个我们尚未涵盖的功能：生命周期。 我们将在第 10 章中详细讨论生命周期。 但是，如果您忽略有关生命周期的部分，则该消息确实包含此代码成为问题的关键

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

让我们仔细看看我们的 dangle 代码的每个阶段究竟发生了什么

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

fn dangle() -> &String { // dangle returns a reference to a String

    let s = String::from("hello"); // s is a new String

    &s // we return a reference to the String, s
} // Here, s goes out of scope, and is dropped. Its memory goes away.
  // Danger!

因为 s 是在 dangle 内部创建的，所以当 dangle 的代码完成时，s 将被释放。 但是我们试图返回对它的引用。 这意味着此引用将指向无效的 String。 那不好！ Rust 不会让我们这样做。

这里的解决方案是直接返回 String

fn main() {
    let string = no_dangle();
}

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

    s
}

这可以正常工作，没有任何问题。 所有权被移出，并且没有任何东西被释放。

引用的规则

让我们回顾一下我们讨论过的关于引用的内容

• 在任何给定时间，您可以拥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。

接下来，我们将研究另一种类型的引用：切片。