岳阳网站建设网站,经典设计产品,网络推广竞价外包,石家庄关键词排名软件Rust 的最主要光芒#xff1a; 内存安全 。
实现方式#xff1a; 所有权系统。 写在前面的序言
因为我们这里实际讲述的内容是关于 内存安全的#xff0c;所以我们最好先复习一下内存的知识。
然后我们#xff0c;需要理解的就只有所有权概念#xff0c;以及为了开发便…Rust 的最主要光芒 内存安全 。
实现方式 所有权系统。 写在前面的序言
因为我们这里实际讲述的内容是关于 内存安全的所以我们最好先复习一下内存的知识。
然后我们需要理解的就只有所有权概念以及为了开发便利进一步引出的引用借用概念。
永远的基础内存管理
内存作为存储程序运行时数据的地方是任何地方都避不开的。除非发展到量子计算脱离了传统的二进制计算架构。
在这里先说明一下内存讨论的主体颗粒度。我们将着眼于 栈stack 和 堆 heap。重点明晰的是保存的位置是这两者中的哪一种。
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
写入方面入栈比在堆上分配内存要快因为入栈时操作系统无需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。
读取方面得益于 CPU 高速缓存使得处理器可以减少对内存的访问高速缓存和内存的访问速度差异在 10 倍以上栈数据往往可以直接存储在 CPU 高速缓存中而堆数据只能存储在内存中。访问堆上的数据比访问栈上的数据慢因为必须先访问栈再通过栈上的指针来访问内存。
因此处理器处理分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。
所有权和堆栈
所谓的所有权他存在的意义就是通过某种逻辑实现对堆上数据的管理。
接下来让我们详细的介绍所有权对内存管理的具体逻辑。
所有权原则
让我们首先明确规则再去详细了解内涵 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) 那么什么是 变量的作用域呢
变量的作用域
同 c 类似作用域是变量合法有效的范围 从变量的创建开始有效止于它离开作用域为止。代码说明如下
{ // s 在这里无效它尚未声明let s zry; // s 在这里无效它尚未声明// code ....
} // s 在这里无效它尚未声明堆上数据和 栈上数据
在这里我们会通过 代码来介绍在 rust 中 什么数据会在堆上什么数据会在栈上。
我们使用 String类型进行介绍。
先继续使用上面的代码 let s zry 这里的s 是被编译器 硬编码进程序里的字符串值类型是 str。但是它有一些缺陷。如下 - 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。 - 例如获取用户输入的数据时编译器肯定是不能在编译时预先知道这部分内容应当怎么写的。 所以Rust 提供了 动态字符串类型String。这个类型被分配到堆上当出现需要再扩充空间或者缩小时都可以很方便实现。
具体的创建方式如下
let s String::from(zry);
// :: 是一种调用操作符这里表示调用 String 中的 from 方法因为 String 存储在堆上是动态的你可以这样修改它s.push_str(say hello, world!); // push_str() 在字符串后追加字面值 println!({}, s); // 将打印 zry say hello, world!到此我们知道怎样在堆上创建数据String和栈上创建数据 str
接下来我们将根据这两点 展开讲述 所有权的交互。
所有权的交互
所有权的交互分为三种
转移所有权A的给了BB能用A不能用克隆所有权深拷贝B抄了A的多了一份数据A和B各自使用各自的。拷贝所有权浅拷贝B知道A有共用一份数据A和B使用同一份内容。
所有权是对堆上数据的管理权限。先看栈上数据的代码
let x 5;
let y x;代码背后的逻辑很简单, 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
我们在前面就讨论过拷贝是一个应当重视的行为那么这里使用拷贝有什么问题吗
实际上我们重视拷贝的原因是因为拷贝需要增加空间保护数据消耗时间。在规模变得足够大的时候就会造成性能浪费。
而这种栈上操作的数据足够的简单拷贝这个行为也只是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快于堆上创建内存而内容也足够小不会造成性能浪费。
实际上 Rust 的基本类型都是通过自动拷贝的方式来赋值的
接下来详细介绍
转移所有权
从基础类型赋值之后我们使用String类型完成这一节的演示。 首先代码如下
let s1 String::from(zry);
let s2 s1;这里 String并不是基础类型rust只对基础类型进行自动拷贝
String类型数据是存放在堆上的它本身是一个复合类型你可以把它简单抽象是一个结构体来方便理解。它提供了三部分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的堆指针是根本字符串长度、字符串容量是为了性能考量的辅助优化。
堆指针指向了真实存储字符串内容的堆内存字符串容量是堆内存分配空间的大小字符串长度是目前已经使用的大小。
回到代码中来继续讨论 let s2 s1;的这一步 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 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(zry);
let s2 s1;println!({} sqy hello world!, s1);由于 Rust 禁止你使用无效的引用你会看到以下的错误
error[E0382]: use of moved value: s1-- src/main.rs:5:28|
3 | let s2 s1;| -- value moved here
4 |
5 | println!({}, world!, s1);| ^^ value used here after move| note: move occurs because s1 has type std::string::String, which doesnot implement the Copy trait
现在再回头看看之前的规则相信大家已经有了更深刻的理解 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 ![[Pasted image 20230815214121.png]]
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。 到此为止我们也清楚了为什么 Rust 称呼 let a b 为变量绑定。 绑定的是变量中记录的指针和数据实际地址这两者。
扩展引用的所有权
再来看一段代码:
fn main() {let x: str hello, world;let y x;println!({},{},x,y);
}这段代码大家觉得会否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 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当学习了下一章节 “引用与借用” 后大家自然而言就会理解。
克隆所有权
Rust 中是支持深拷贝的被称之为 克隆所有权。
但是要注意Rust 永远不会自动创建数据的深拷贝。所以如果你发现rust 在进行自动的复制那么其是浅拷贝栈上数据的赋值 let x 1; let ix;或者是转移所有权let s::String “String”; let y s;。
克隆所有权的具体方式是使用 clone()这个关键字。示例如下
let s1 String::from(zry);
let s2 s1.clone();println!({} {} ,s1,s2);
当让我们可以丰富扩展一下rust 有一个叫做 Ok ERR 的东西可以这样方便测试
// 定义一个函数 test_string返回一个 Result 类型
// 其中 Ok 部分包含一个字符串Err 部分包含一个 static str 类型的错误信息
fn test_string() - ResultString, static str { let s String::from(hello world); //创建一个包含 hello world 的 String 类型变量 slet y s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!({} {}, s,y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn main() { //主函数println!(Hello, world!); //打印 Hello, world!match test_string() { //使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) println!({}, z), //如果返回的是 Ok则将字符串 z 打印出来Err(e) eprintln!(Error: {}, e), //如果返回的是 Err则将错误信息 e 打印出来}
}执行结果
PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21 cargo run Compiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)Finished dev [unoptimized debuginfo] target(s) in 0.60sRunning target\debug\file23_08_21.exe
Hello, world!
hello world hello world
hello world注意事项深拷贝性能消耗是要大于其他方式的。因此对于热点路径执行比较频繁的代码使用 clone会极大的降低程序性能。
拷贝所有权
在上面我们说到了拷贝所有权这里详细介绍。
拷贝所有权是指浅拷贝。浅拷贝只发生在栈上。因此性能很高
通过代码介绍
let x 5;
let y x;
println!(x {} ,y {},x,y);上面的代码中我们并没有进行 clone如果按照之前的说法所有权改变了以后原有变量不再使用这里x应当不能使用了但是实际运行之后依旧打印出了x的内容。 这里引出 rust 中的 一个特征Copy
整型这样的基本类型是在编译时已知大小的会被存储在栈上。Rust 通过copy这样的特征来保证拥有这样特征的类型可以实现一个旧的变量在被赋值给其他变量后任然可以使用。
哪些类型可 Copy
任何基本类型的组合都可以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
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是 Copy 的时候。比如(i32, i32) 是 Copy 的但 (i32, String) 就不是不可变引用 T 例如 扩展引用的所有权 中的例子但是注意: 可变引用 mut T 是不可以 Copy的
函数传值与返回
既然我们前面说到了赋值是会改变所有权的。那么自然会聊到一个点函数传值。
在将值传递给函数时一样会发生 移动 或者 复制 就像赋值一样。具体可以看下面的代码
// 定义一个函数 test_string返回一个 Result 类型
// 其中 Ok 部分包含一个字符串Err 部分包含一个 static str 类型的错误信息
fn test_string() - ResultString, static str {let s String::from(hello world); //创建一个包含 hello world 的 String 类型变量 slet y s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!({} {}, s, y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn test_string_2() {let x 5;let y x;println!(x {} ,y {}, x, y);
}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fn main() {//主函数println!(Hello, world!); //打印 Hello, world!match test_string() {//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) println!({}, z), //如果返回的是 Ok则将字符串 z 打印出来Err(e) eprintln!(Error: {}, e), //如果返回的是 Err则将错误信息 e 打印出来}test_string_2();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
运行后如下结果
PS ...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21 cargo runCompiling file23_08_21 v0.1.0 (...\ZryCode\CODE\Rust\file23_08_21)Finished dev [unoptimized debuginfo] target(s) in 1.41sRunning target\debug\file23_08_21.exe
Hello, world!
hello world hello world
hello world
x 5 ,y 5
hello
5
同样的函数返回值也有所有权例如:
// 定义一个函数 test_string返回一个 Result 类型
// 其中 Ok 部分包含一个字符串Err 部分包含一个 static str 类型的错误信息
fn test_string() - ResultString, static str {let s String::from(hello world); //创建一个包含 hello world 的 String 类型变量 slet y s.clone(); //深拷贝 s 的字符串堆。println!({} {}, s, y);Ok(y) //将变量s y 作为 Ok 部分的返回值
}fn test_string_2() {let x 5;let y x;println!(x {} ,y {}, x, y);
}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fn main() {//主函数println!(Hello, world!); //打印 Hello, world!match test_string() {//使用 match 匹配 test_string 函数的返回值Ok(z) println!({}, z), //如果返回的是 Ok则将字符串 z 打印出来Err(e) eprintln!(Error: {}, e), //如果返回的是 Err则将错误信息 e 打印出来}test_string_2();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println!(S {},s);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 xlet s1 gives_ownership_2(); // gives_ownership_2 将返回值// 移给 s1let s2 String::from(hello); // s2 进入作用域let s3 takes_and_gives_back_2(s2); // s2 被移动到// takes_and_gives_back_2 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_2() - String {// gives_ownership_2 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_2 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back_2(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
}其中如果在变量传入函数后再次使用变量就会报错如下
error[E0382]: borrow of moved value: s-- src\main.rs:51:24|
46 | let s String::from(hello); // s 进入作用域| - move occurs because s has type String, which does not implement the Copy trait
...
49 | takes_ownership(s); // s 的值移动到函数里 ...| - value moved here
50 | // ... 所以到这里不再有效
51 | println!(S {},s);| ^ value borrowed here after move|很明显这样的方式不利于我们开发时使用。 因此 我们继续介绍 引用和借用。 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。
