安徽做网站,设计app界面,怎么样让百度收录网站,做诱导网站所有的程序都必须和计算机内存打交道#xff0c;如何从内存中申请空间来存放程序的运行内容#xff0c;如何在不需要的时候释放这些空间#xff0c;成了重中之重#xff0c;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#xff0c;出现了三种流派#xf…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
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Java、Go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。
由于所有权是一个新概念无需垃圾回收即可保障内存安全因此理解 Rust 中所有权如何工作是十分重要的。本章我们将讲到所有权以及相关功能都将通过字符串来引导进行讲解。
一栈和堆
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这就是栈的原理。 增加数据的操作叫做进栈移出数据的操作则叫做出栈。 要想完成上述的实现方式则要求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也是“所有权”存在的原因。 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。
二所有权原则
理解了堆栈接下来让我们看一下所有权的规则。当我们通过举例说明时请谨记这些规则 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当所有者(变量)离开作用域范围时这个值将被丢弃(drop) 变量的作用域
“作用域”是一个变量在程序中有效的范围, 假如有这样一个变量
let s hello;变量 s 绑定到了一个字符串字面值该字符串字面值是硬编码到程序代码中的。s 变量从声明的点开始直到当前作用域的结束都是有效的
fn func{ // 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...
} // 此作用域已结束s不再有效简而言之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。
为什么是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 字符串字面值是不可变的因为被硬编码到程序代码中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。
从这里开始我们要通过 字符串 来引导讲解所有权的相关知识。
那么为什么是字符串
因为String类型是存储在堆上的数据通过字符串来探索 Rust 可以知道它是在何时清理数据的。而前面介绍的标量类型都是已知大小的可以存储在栈中并且当离开作用域时会被移出栈。
创建一个String类型的值
例子使用 from 函数来基于字符串字面值创建出 String 类型
let s String::from(hello);:: 是一种调用操作符这里表示调用 String 模块中的 from 方法由于 String 类型存储在堆上因此它是动态的。基于堆的特性我们可以进行修改
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!变量绑定背后的数据交互关于所有权的转移
先来看一段代码
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。此时在栈中就会存在两个“5”一个属于x一个属于y。
整个过程中的赋值都是通过值拷贝的方式完成(发生在栈中)因此并不需要所有权转移。 可能有同学会有疑问这种拷贝不消耗性能吗实际上这种栈上的数据足够简单而且拷贝非常非常快只需要复制一个整数大小i324 个字节的内存即可因此在这种情况下拷贝的速度远比在堆上创建内存来得快的多。实际上Rust 的基本数据类型(标量类型) 都是通过自动拷贝的方式来赋值的就像上面代码一样。 再来看一个 String 版本
let s1 String::from(hello);
let s2 s1;这看起来与上面的代码非常类似所以我们可能会假设它们的运行方式也是类似的也就是说第二行可能会生成一个 s1 的拷贝并绑定到 s2 上。不过事实上并不完全是这样。之前也提到了对于基本类型存储在栈上Rust 会自动拷贝但是 String 不是基本类型而且是存储在堆上的因此不能自动拷贝。
实际上 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其他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
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。
好吧就假定一个值可以拥有两个所有者会发生什么呢
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。
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 s2s1 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你会看到以下的错误
borrow of moved value: s1
//该变量已被移除了所有权“S1”现在再回头看看之前的规则相信可以有更深刻的理解 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当所有者(变量)离开作用域范围时这个值将被丢弃(drop) 如果你在其他语言中听说过术语 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(灰色表示所有权被移除) 再来看一段代码:
fn main() {let x: str hello, world;let y x;println!({},{},x,y);
}这段代码会不会报错如果参考之前的 String 所有权转移的例子那这段代码也应该报错才是但是实际上呢
这段代码和之前的 String 例子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。如果还不理解也没关系下一篇文章会对 “引用与借用” 进行整理说明。
三深拷贝与浅拷贝
深拷贝又称克隆
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);
//结果s1 hello, s2 hello这段代码能够正常运行说明 s2 确实完整的复制了 s1 的数据。
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
浅拷贝又称拷贝
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。
再回到之前看过的例子:
let x 5;
let y x;println!(x {}, y {}, x, y);
//结果x 5, y 5但这段代码似乎与我们刚刚学到的内容相矛盾没有调用 clone不过依然实现了类似深拷贝的效果 —— 没有报所有权的错误。
原因是像整型这样的基本类型在编译时是已知大小的会被存储在栈上所以拷贝其实际的值是快速的。这意味着没有理由在创建变量 y 后使 x 无效x、y 都仍然有效。换句话说这里没有深浅拷贝的区别因此这里调用 clone 并不会与通常的浅拷贝有什么不同我们可以不用管它可以理解成在栈上做了深拷贝。
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。
那么哪些类型实现了 Copy 呢你可以查看给定类型的文档来确认不过作为一个通用的规则任何一组简单标量值的组合都可以实现 Copy任何不需要分配内存或某种形式资源的类型都可以实现 Copy 。如下是一些 Copy 的类型
所有整数类型比如 u32。布尔类型bool它的值是 true 和 false。所有浮点数类型比如 f64。字符类型char。元组当且仅当其包含的类型也都实现 Copy 的时候。比如(i32, i32) 实现了 Copy但 (i32, String) 就没有。
四所有权与函数
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// ... 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。不会有特殊操作我们尝试在 takes_ownership 之后再使用 s可以看到报错。例如添加一行 println!(“在move进函数后继续使用s: {}”,s);。
报错信息如下
borrow of moved value: s
//s的所有权已经被移除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 s1let 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
}变量的所有权总是遵循相同的模式将值赋给另一个变量时移动它。当持有堆中数据值的变量离开作用域时其值将通过 drop 被清理掉除非数据被移动为另一个变量所有。
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 对此提供了一个不用获取所有权就可以使用值的功能叫做引用。 下一篇文章会对引用进行整理说明
