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====== 第二章 所有权系统 ======

===== 2.1 什么是所有权 =====

所有权（Ownership）是Rust最独特的特性，它使得Rust能够在没有垃圾回收器（GC）的情况下保证内存安全。理解所有权是理解Rust的关键。

==== 栈与堆 ====

在深入了解所有权之前，需要理解栈（Stack）和堆（Heap）的区别：

**栈（Stack）：**
  * 后进先出（LIFO）的数据结构
  * 存储已知固定大小的数据
  * 入栈和出栈速度快
  * 数据必须拥有已知且固定的大小

**堆（Heap）：**
  * 用于存储编译时大小未知或可能变化的数据
  * 在堆上分配内存称为分配（allocating）
  * 访问堆数据比栈慢，需要指针寻址
  * 灵活性更高，但管理更复杂

**所有权规则：**

  1. Rust中的每个值都有一个所有者（owner）
  2. 值在任一时刻有且只有一个所有者
  3. 当所有者离开作用域，值将被丢弃

===== 2.2 变量作用域 =====

作用域（Scope）是程序中一个项在有效性的范围：

<code rust>
{                      // s 在这里无效，它尚未声明
    let s = "hello";   // s 从这里开始有效
    
    // 使用 s
    println!("{}", s);
}                      // 作用域结束，s 不再有效

// println!("{}", s);  // 错误！s已失效
</code>

**关键点：**
  * 当变量进入作用域，它就是有效的
  * 一直有效直到离开作用域
  * 作用域由大括号{}界定

===== 2.3 String类型与内存分配 =====

==== 字符串字面量 vs String ====

<code rust>
let s = "hello";  // 字符串字面量，硬编码进程序，不可变

let mut s = String::from("hello");  // String类型，可变的
s.push_str(", world!");  // 追加字符串
</code>

**为什么String可变而字符串字面量不可变？**

  * 字符串字面量：编译时已知内容，直接硬编码到最终可执行文件，快速高效
  * String：在堆上分配，编译时大小未知，可以存储在运行时修改的文本

==== 内存分配方式 ====

**String的内存布局：**

<code rust>
let s = String::from("hello");
</code>

内存中的表示：
  * 指向堆上内容的指针
  * 长度（当前内容使用的字节数）
  * 容量（从分配器获得的内存总量）

===== 2.4 所有权转移（Move） =====

==== 变量与数据交互的方式 ====

**1. 移动（Move）：**

<code rust>
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;  // s1的所有权移动到s2

// println!("{}", s1);  // 错误！s1不再有效
println!("{}", s2);     // 正确
</code>

当s1赋值给s2时，String的数据被复制了，包括：
  * 指向堆数据的指针
  * 长度
  * 容量

但堆上的数据**没有被复制**！为了避免双重释放（double free）错误，Rust让s1失效。

**图示：**

赋值前：
<code>
s1
+--------+      +---------+
| 指针   | ---> | hello   |
| 长度 5 |      +---------+
| 容量 5 |
+--------+
</code>

赋值后（s1失效）：
<code>
s2
+--------+      +---------+
| 指针   | ---> | hello   |
| 长度 5 |      +---------+
| 容量 5 |
+--------+
</code>

==== 克隆（Clone）====

如果需要深拷贝堆数据，使用clone方法：

<code rust>
let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1.clone();  // 深拷贝

println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);  // 都有效
</code>

**注意**：clone操作可能很昂贵，Rust通过显式调用来表明这一点。

==== 只在栈上的数据：Copy trait ====

某些类型在赋值后仍然可用，因为它们实现了Copy trait：

<code rust>
let x = 5;
let y = x;  // Copy，不是Move

println!("x = {}, y = {}", x, y);  // 都有效
</code>

**实现Copy trait的类型：**
  * 所有整数类型（i32, u64等）
  * 布尔类型（bool）
  * 浮点类型（f32, f64）
  * 字符类型（char）
  * 仅包含Copy类型的元组（如(i32, i32)，但(i32, String)不行）

===== 2.5 所有权与函数 =====

==== 将值传递给函数 ====

<code rust>
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
    // println!("{}", s);            // 错误！s不再有效
    
    let x = 5;                       // x进入作用域
    
    makes_copy(x);                   // x被Copy到函数里
    println!("x = {}", x);           // 正确！x仍然有效
}

fn takes_ownership(some_string: String) {
    println!("{}", some_string);
}  // some_string离开作用域，调用drop，内存释放

fn makes_copy(some_integer: i32) {
    println!("{}", some_integer);
}  // some_integer离开作用域，无需特殊处理
</code>

==== 返回值与作用域 ====

<code rust>
fn main() {
    let s1 = gives_ownership();          // gives_ownership将返回值转移给s1
    
    let s2 = String::from("hello");      // s2进入作用域
    
    let s3 = takes_and_gives_back(s2);   // s2被移动到函数，返回值给s3
    
    println!("s1 = {}, s3 = {}", s1, s3);
}  // s3离开作用域被丢弃，s2已移动（不发生），s1被丢弃

fn gives_ownership() -> String {
    let some_string = String::from("yours");
    some_string  // 返回并转移所有权
}

fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String {
    a_string  // 返回并转移所有权
}
</code>

===== 2.6 引用与借用 =====

==== 什么是引用 ====

为了避免所有权转移带来的不便，可以使用引用：

<code rust>
fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    
    let len = calculate_length(&s1);  // 传递引用，不转移所有权
    
    println!("'{}'的长度是{}", s1, len);  // s1仍然有效
}

fn calculate_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}  // s离开作用域，但它没有所有权，所以不释放内存
</code>

**借用（Borrowing）**：将创建一个引用的行为称为借用。

**引用与指针的区别：**
  * 引用总是有效的（编译器保证）
  * 不能有空引用
  * 不能有多重引用导致的问题

==== 可变引用 ====

默认情况下引用是不可变的，需要可变引用才能修改：

<code rust>
fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    
    change(&mut s);
    
    println!("{}", s);  // "hello, world"
}

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

**可变引用的限制：**

<code rust>
let mut s = String::from("hello");

let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;  // 错误！不能同时有两个可变引用

println!("{}, {}", r1, r2);
</code>

**好处：** 在编译期防止数据竞争（data race）。

**数据竞争条件：**
  1. 两个或更多指针同时访问同一数据
  2. 至少有一个用于写入
  3. 没有同步访问机制

==== 混合引用规则 ====

<code rust>
let mut s = String::from("hello");

let r1 = &s;      // 没问题
let r2 = &s;      // 没问题
let r3 = &mut s;  // 大问题！
</code>

**规则总结：**
  * 可以有任意数量的不可变引用
  * 或者只有一个可变引用
  * 不能同时存在可变和不可变引用

===== 2.7 悬垂引用（Dangling References） =====

Rust编译器保证引用永远不会悬垂：

<code rust>
fn main() {
    let reference_to_nothing = dangle();
}

fn dangle() -> &String {
    let s = String::from("hello");
    
    &s  // 错误！s将在函数结束时被释放
}  // s离开作用域，内存被释放
</code>

编译器错误信息：
<code>
error[E0106]: missing lifetime specifier
</code>

**解决方案：返回所有权**

<code rust>
fn no_dangle() -> String {
    let s = String::from("hello");
    s  // 转移所有权
}
</code>

===== 2.8 Slice类型 =====

==== 字符串Slice ====

字符串slice是String中一部分值的引用：

<code rust>
let s = String::from("hello world");

let hello = &s[0..5];   // 从0开始到5（不包括5）
let world = &s[6..11];  // 从6开始到11（不包括11）
</code>

**语法：**
  * [开始索引..结束索引]：从开始到结束（不包括结束）
  * [..2]：从0开始到2
  * [3..]：从3开始到结尾
  * [..]：整个字符串

**注意：** slice的索引必须在有效的UTF-8字符边界。

==== 字符串字面量就是slice ====

<code rust>
let s = "Hello, world!";  // &str类型
</code>

字符串字面量被直接存储在二进制文件中，&str是指向该位置的slice。

==== 数组Slice ====

<code rust>
let a = [1, 2, 3, 4, 5];

let slice = &a[1..3];  // &[i32]类型，包含[2, 3]
</code>

===== 2.9 生命周期（初步介绍） =====

生命周期是Rust的另一个重要概念，将在第十四章深入讲解。这里简要介绍其必要性：

<code rust>
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}
</code>

这段代码会报错，因为编译器不知道返回的引用与哪个参数相关。需要使用生命周期标注：

<code rust>
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}
</code>

===== 练习题 =====

==== 练习题2.1：理解所有权转移 ====

预测以下代码的输出：

<code rust>
fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let mut s2 = s;
    s2.push_str(" world");
    
    println!("{}", s2);
    // println!("{}", s);  // 能编译吗？
}
</code>

==== 练习题2.2：借用练习 ====

修复以下代码中的错误：

<code rust>
fn main() {
    let s = String::from("hello");
    
    let r1 = &s;
    let r2 = &mut s;  // 错误！
    
    println!("{}, {}", r1, r2);
}
</code>

**修复方案：**

<code rust>
fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    
    {
        let r1 = &s;
        println!("{}", r1);
    }  // r1在这里离开作用域
    
    let r2 = &mut s;  // 现在可以了
    println!("{}", r2);
}
</code>

==== 练习题2.3：实现第一个单词提取 ====

编写函数返回字符串中的第一个单词：

<code rust>
fn first_word(s: &str) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();
    
    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }
    
    &s[..]
}

fn main() {
    let my_string = String::from("hello world");
    let word = first_word(&my_string);
    println!("第一个单词是：{}", word);
}
</code>

==== 练习题2.4：计算字符串字节长度 ====

<code rust>
fn string_length(s: &String) -> usize {
    s.len()
}

fn main() {
    let s = String::from("hello");
    let len = string_length(&s);
    println!("长度：{}", len);
}
</code>

===== 本章小结 =====

本章深入讲解了Rust的所有权系统：

  * **所有权规则**：每个值有且只有一个所有者，所有者离开作用域值被丢弃
  * **Move语义**：赋值时所有权转移，原变量失效
  * **Copy trait**：基本类型实现Copy，赋值时复制而非移动
  * **借用**：通过引用访问数据而不获取所有权
  * **可变引用**：同一作用域只能有一个可变引用
  * **生命周期**：编译器通过生命周期确保引用总是有效

所有权系统是Rust内存管理的核心，也是Rust能够提供内存安全保证的基础。掌握所有权系统是成为Rust程序员的关键一步。

在下一章中，我们将详细学习Rust的基本数据类型。