Ownership

所有的程序都必须和计算机内存打交道，如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容，如何在不需要的时候释放这些空间，成了重中之重，也是所有编程语言设计的难点之一。在计算机语言不断演变过程中，出现了三种流派：

1. 垃圾回收机制(GC)，在程序运行时不断寻找不再使用的内存，典型代表：JavasSript、Go
2. 手动管理内存的分配和释放, 在程序中，通过函数调用的方式来申请和释放内存，典型代表：C++
3. 通过所有权来管理内存，编译器在编译时会根据一系列规则进行检查

其中 Rust 选择了第三种，最妙的是，这种检查只发生在编译期，因此对于程序运行期，不会有任何性能上的损失。

在本章，我们将通过字符串来引导讲解所有权的相关知识。

栈(Stack)与堆(Heap)

栈和堆是编程语言最核心的数据结构，但是在很多语言中，你并不需要深入了解栈与堆。 但对于Rust这样的系统编程语言，值是位于栈上还是堆上非常重要，因为这会影响程序的行为和性能。

栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。

栈

栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值，这也被称作后进先出。想象一下一叠盘子：当增加更多盘子时，把它们放在盘子堆的顶部，当需要盘子时，再从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子！

增加数据叫做进栈，移出数据则叫做出栈。

因为上述的实现方式，栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间，假设数据大小是未知的，那么在取出数据时，你将无法取到你想要的数据。

堆

与栈不同，对于大小未知或者可能变化的数据，我们需要将它存储在堆上。

当向堆上放入数据时，需要请求一定大小的内存空间。操作系统在堆的某处找到一块足够大的空位，把它标记为已使用，并返回一个表示该位置地址的指针，该过程被称为在堆上分配内存，有时简称为 “分配”(allocating)。

接着，该指针会被推入栈中，因为指针的大小是已知且固定的，在后续使用过程中，你将通过栈中的指针，来获取数据在堆上的实际内存位置，进而访问该数据。

由上可知，堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭：进入餐馆，告知服务员有几个人，然后服务员找到一个够大的空桌子（堆上分配的内存空间）并领你们过去。如果有人来迟了，他们也可以通过桌号（栈上的指针）来找到你们坐在哪。

性能区别

在栈上分配内存比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需进行函数调用（或更慢的系统调用）来分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备，如果当前进程分配的内存页不足时，还需要进行系统调用来申请更多内存。 因此，处理器在栈上分配数据会比在堆上分配数据更加高效。

所有权与堆栈

当你的代码调用一个函数时，传递给函数的参数（包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量）依次被压入栈中，当函数调用结束时，这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。

因为堆上的数据缺乏组织，因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的，否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。

对于其他很多编程语言，你确实无需理解堆栈的原理，但是在Rust 中，明白堆栈的原理，对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助。

所有权原则

TIP

1. Rust 中每一个值都被一个变量所拥有，该变量被称为值的所有者。
2. 一个值同时只能被一个变量所拥有，或者说一个值只能拥有一个所有者。
3. 当所有者（变量）离开作用域范围时，这个值将被丢弃(drop)。

变量作用域

如下 创建了一个变量s

{                      // s 在这里无效，它尚未声明
    let s = "hello";   // 从此处起，s 是有效的

    // 使用 s
}

s从创建开始就有效，然后有效期持续到它离开作用域为止，可以看出，就作用域来说Rust语言跟其他编程语言没有区别。

简单介绍 String 类型

我们已经见过字符串字面值let s = "hello",s 是被硬编码进程序里的字符串值（类型为&str）。字符串字面值是很方便的，但是它并不适用于所有场景。 原因有二:

1. 字符串字面值是不可变的，因为被硬编码到程序代码中。
2. 并非所有字符串的值都能在编写代码时得知。 例如，字符串是需要程序运行时，通过用户动态输入然后存储在内存中的，这种情况，字符串字面值就完全无用武之地。 为此Rust为我们提供动态字符串类型:String，该类型被分配到堆上，因此可以动态伸缩，也就能存储在编译时大小未知的文本。

可以使用下面的方法基于字符串字面量来创建 String 类型：

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

::是一种调用操作符，这里表示调用String类型中的from关联函数，由于String类型存储在堆上，因此它是动态的，你可以这样修改：

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

s.push_str(", world!"); // push_str() 在字符串后追加字面值

println!("{}", s); // 将打印 `hello, world!`

了解String后，一起来看看关于所有权的交互。

转移所有权

看一个示例

let x = 5;
let y = x;

这段代码并没有发生所有权的转移，原因很简单: 代码首先将5绑定到变量x，接着拷贝x的值赋给y，最终x和y都等于5，因为整数是Rust基本数据类型，是固定大小的简单值，因此这两个值都是通过自动拷贝的方式来赋值的，都被存在栈中，完全无需在堆上分配内存。

在看另一个不同的示例

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;

由于String类型是一个复杂类型，由存储在栈中的堆指针、字符串长度、字符串容量共同组成，其中堆指针是最重要的，它指向了真实存储字符串内容的堆内存，至于长度和容量，如果你有Go语言的经验，这里就很好理解：容量是堆内存分配空间的大小，长度是目前已经使用的大小。

总之String类型指向了一个堆上的空间，这里存储着它的真实数据，下面对上面代码中的let s2 = s1分成两种情况讨论：

1. 拷贝String和存储在堆上的字节数组 如果该语句是拷贝所有数据(深拷贝)，那么无论是String本身还是底层的堆上数据，都会被全部拷贝，这对于性能而言会造成非常大的影响
2. 只拷贝String本身 这样的拷贝非常快，因为在64位机器上就拷贝了8字节的指针、8字节的长度、8字节的容量，总计24字节，但是带来了新的问题，还记得我们之前提到的所有权规则吧？其中有一条就是：一个值只允许有一个所有者，而现在这个值（堆上的真实字符串数据）有了两个所有者: s1和s2。

假定一个值可以拥有两个所有者: 当变量离开作用域后，Rust会自动调用drop函数并清理变量的堆内存。不过由于两个String变量指向了同一位置。这就有了一个问题：当s1和s2离开作用域，它们都会尝试释放相同的内存。这是一个叫做 二次释放（double free） 的错误，也是之前提到过的内存安全性BUG之一。两次释放（相同）内存会导致内存污染，它可能会导致潜在的安全漏洞。(c语言常犯的错误，内存二次释放)

因此，Rust这样解决问题：当s1被赋予s2后，Rust认为s1不再有效，因此也无需在s1离开作用域后drop任何东西，这就是把所有权从s1转移给了s2，s1在被赋予s2后就马上失效了。

再来看看，在所有权转移后再来使用旧的所有者，会发生什么：

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;

println!("{}, world!", s1);

由于 Rust 禁止你使用无效的引用，此时会报错

如同js中常常提起的：浅拷贝(shallow copy)和深拷贝(deep copy)，那么拷贝指针、长度和容量而不拷贝数据听起来就像浅拷贝，但是又因为Rust同时使第一个变量s1无效了，因此这个操作被称为移动(move)，而不是浅拷贝。上面的例子可以解读为s1被移动到了s2中。那么具体发生了什么，用一张图简单说明：

这样就解决了我们之前的问题，s1不再指向任何数据，只有s2是有效的，当s2离开作用域，它就会释放内存。 相信此刻，你应该明白了，为什么Rust称呼let a = b为变量绑定了吧？

再来看一段代码:

fn main() {
    let x: &str = "hello, world";
    let y = x;
    println!("{},{}",x,y);
}

这段代码和之前的String有一个本质上的区别：在String的例子中s1持有了通过String::from("hello")创建的值的所有权，而这个例子中，x只是引用了存储在二进制可执行文件(binary)中的字符串"hello, world"，并没有持有所有权

因此let y = x中，仅仅是对该引用进行了拷贝，此时y和x都引用了同一个字符串。

克隆(深拷贝)

首先，Rust永远也不会自动创建数据的深拷贝。因此，任何自动的复制都不是深拷贝，可以被认为对运行时性能影响较小。

如果我们确实需要深度复制String中堆上的数据，而不仅仅是栈上的数据，可以使用一个叫做clone的方法。

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();

println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);

TIP

如果代码性能无关紧要，例如初始化程序时或者在某段时间只会执行寥寥数次时，你可以使用clone来简化编程。但是对于执行较为频繁的代码（热点路径），使用clone 会极大的降低程序性能，需要小心使用！

拷贝(浅拷贝)

浅拷贝只发生在栈上，因此性能很高，在日常编程中，浅拷贝无处不在。

Rust有一个叫做Copy的特征，可以用在类似整型这样在栈中存储的类型。如果一个类型拥有Copy特征，一个旧的变量在被赋值给其他变量后仍然可用，也就是赋值的过程即是拷贝的过程。

那么什么类型是可Copy的呢？可以查看给定类型的文档来确认，这里可以给出一个通用的规则： 任何基本类型的组合可以Copy ，不需要分配内存或某种形式资源的类型是可以Copy的。如下是一些Copy的类型：

1. 所有整数类型，比如u32
2. 布尔类型，bool，它的值是true和false
3. 所有浮点数类型，比如f64
4. 字符类型，char（注意不是字符串）
5. 元组，当且仅当其包含的类型也都是Copy的时候。比如，(i32, i32)是Copy的，但(i32, String)就不是
6. 不可变引用&T，例如转移所有权中的最后一个例子，但是注意：可变引用&mutT 是不可以Copy的

函数传值与返回

将值传递给函数，一样会发生 移动 或者 复制，就跟 let 语句一样，下面的代码展示了所有权、作用域的规则：

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s 进入作用域

    takes_ownership(s);             // s 的值移动到函数里 ...
                                    // ... 所以到这里不再有效

    let x = 5;                      // x 进入作用域

    makes_copy(x);                  // x 应该移动函数里，
                                    // 但 i32 是 Copy 的，所以在后面可继续使用 x

} // 这里, x 先移出了作用域，然后是 s。但因为 s 的值已被移走，
  // 所以不会有特殊操作

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string 进入作用域
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 `drop` 方法。占用的内存被释放

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer 进入作用域
    println!("{}", some_integer);
} // 这里，some_integer 移出作用域。不会有特殊操作

同样的，函数返回值也有所有权，例如:

fn main() {
    let s1 = gives_ownership();         // gives_ownership 将返回值
                                        // 移给 s1

    let s2 = String::from("hello");     // s2 进入作用域

    let s3 = takes_and_gives_back(s2);  // s2 被移动到
                                        // takes_and_gives_back 中,
                                        // 它也将返回值移给 s3
} // 这里, s3 移出作用域并被丢弃。s2 也移出作用域，但已被移走，
  // 所以什么也不会发生。s1 移出作用域并被丢弃

fn gives_ownership() -> String {             // gives_ownership 将返回值移动给
                                             // 调用它的函数

    let some_string = String::from("hello"); // some_string 进入作用域.

    some_string                              // 返回 some_string 并移出给调用的函数
}

// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string 进入作用域

    a_string  // 返回 a_string 并移出给调用的函数
}

所有权很强大，避免了内存的不安全性，但是也带来了一个新麻烦： 总是把一个值传来传去来使用它。 传入一个函数，很可能还要从该函数传出去，结果就是语言表达变得非常啰嗦，幸运的是，Rust提供了新功能解决这个问题。