Rust 程序设计语言

引用与借用

清单 4-5 中元组代码的问题在于，我们需要将 String 返回给调用函数，以便在调用 calculate_length 后仍然可以使用 String，因为 String 已被移动到 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。

下面是如何定义和使用一个 calculate_length 函数的示例，该函数具有对对象的引用作为参数，而不是获取该值的所有权

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，我们获取的是 &String 而不是 String。这些与号表示引用，它们允许您引用某些值而不获取其所有权。图 4-6 描绘了这个概念。

图 4-6：&String s 指向 String s1 的图示

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 语法让我们创建一个引用 s1 值但不拥有它的引用。因为它不拥有它，所以当引用停止使用时，它指向的值不会被删除。

同样，函数的签名使用 & 来表示参数 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 it does not have ownership of what
  // it refers to, it 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删除，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，我们不需要为了返回所有权而返回这些值，因为我们从未拥有过所有权。

我们将创建引用的行为称为借用。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借用的东西会发生什么？尝试清单 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");
}

这是错误信息

$ 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

就像变量默认是不可变的，引用也是如此。我们不允许修改我们引用的东西。

可变引用

我们可以通过一些小的调整来修复清单 4-6 中的代码，以允许我们修改借用的值，这些调整改为使用可变引用

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，我们在调用 change 函数时使用 &mut s 创建一个可变引用，并更新函数签名以接受 some_string: &mut String 的可变引用。这使得 change 函数将改变其借用的值非常明确。

可变引用有一个很大的限制：如果您对一个值有一个可变引用，则不能再对该值有其他引用。尝试创建两个指向 s 的可变引用的此代码将失败

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

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

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

这是错误信息

$ 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

此错误表示此代码无效，因为我们不能同时多次借用 s 作为可变的。第一个可变借用在 r1 中，并且必须持续到在 println! 中使用它，但是在创建该可变引用及其使用之间，我们尝试在 r2 中创建另一个借用与 r1 相同数据的可变引用。

防止同时对同一数据进行多个可变引用的限制允许进行更改，但以非常受控的方式进行。这是新 Rustaceans 难以理解的问题，因为大多数语言允许您随时进行更改。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 与竞争条件类似，并且在发生以下三个行为时发生

• 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，很难诊断和修复；Rust 通过拒绝编译具有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创建一个新作用域，从而允许多个可变引用，但不能是同时的

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 对组合可变和不可变引用强制执行类似的规则。此代码会导致错误

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);
}

这是错误信息

$ 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

呼！在我们拥有对同一值的不可变引用的同时，我们也不能拥有可变引用。

不可变引用的用户不希望该值突然在他们之下发生变化！但是，允许多个不可变引用，因为任何仅读取数据的人都没有能力影响其他任何人对数据的读取。

请注意，引用的作用域从它被引入的地方开始，并一直持续到最后一次使用该引用的时间。例如，此代码将编译，因为不可变引用的最后一次使用 println!，发生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，这发生在创建可变引用 r3 之前。这些作用域不重叠，因此允许此代码：编译器可以判断引用在作用域结束之前的某个时间点不再被使用。

即使借用错误有时令人沮丧，请记住，它是 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。然后，您不必跟踪为什么您的数据不是您认为的那样。

悬垂引用

在具有指针的语言中，通过释放某些内存，同时保留指向该内存的指针，很容易错误地创建悬垂指针——指向内存中可能已分配给其他人的位置的指针。相反，在 Rust 中，编译器保证引用永远不会成为悬垂引用：如果您引用某些数据，则编译器将确保该数据不会在数据引用之前超出作用域。

让我们尝试创建一个悬垂引用，看看 Rust 如何使用编译时错误来阻止它们

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

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

    &s
}

这是错误信息

$ 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

此错误消息引用了我们尚未介绍的功能：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，该消息确实包含此代码成为问题的原因的关键

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

让我们仔细看看在我们的 dangle 代码的每个阶段都发生了什么

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!

由于 s 是在 dangle 内部创建的，因此当 dangle 的代码完成时，s 将被释放。但是我们尝试返回对它的引用。这意味着此引用将指向无效的 String。这不好！Rust 不会让我们这样做。

此处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
}

这没有任何问题地工作。所有权被移出，并且没有任何内容被释放。

引用的规则

让我们回顾一下我们讨论的有关引用的内容

• 在任何给定时间，您可以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，我们将看看另一种引用：切片。