5.9.引用和借用
最后更新于：2022-04-01 00:43:45
这篇教程是现行3个Rust所有权系统之一。所有权系统是Rust最独特且最引人入胜的特性之一，也是作为Rust开发者应该熟悉的。Rust所追求最大的目标 -- 内存安全，关键在于所有权。所有权系统有一些不同的概念，每个概念独自成章：
* [所有权](http://kaisery.gitbooks.io/rust-book-chinese/content/content/5.8.Ownership%20%E6%89%80%E6%9C%89%E6%9D%83.md)，关键章节
* 借用，你正在阅读的这个章节
* [生命周期](http://kaisery.gitbooks.io/rust-book-chinese/content/content/5.10.Lifetimes%20%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%91%A8%E6%9C%9F.md)，关于借用的高级概念
这3章依次互相关联，你需要完整地阅读全部3章来对Rust的所有权系统进行全面的了解。
## 原则（Meta）
在我们开始详细讲解之前，这有两点关于所有权系统重要的注意事项。
Rust注重安全和速度。它通过很多_零开销抽象_（_zero-cost abstractions_）来实现这些目标，也就是说在Rust中，实现抽象的开销尽可能的小。所有权系统是一个典型的零开销抽象的例子。本文提到所有的分析都是**在编译时完成的**。你不需要在运行时为这些功能付出任何开销。
然而，这个系统确实有一个开销：学习曲线。很多Rust初学者会经历我们所谓的“与借用检查器作斗争”的过程，也就是指Rust编译器拒绝编译一个作者认为合理的程序。这种“斗争”会因为程序员关于所有权系统如何工作的基本模型与Rust实现的实际规则不匹配而经常发生。当你刚开始尝试Rust的时候，你很可能会有相似的经历。然而有一个好消息：更有经验的Rust开发者反应，一旦他们适应所有权系统一段时间之后，与借用检查器的冲突会越来越少。
记住这些之后，让我们来学习关于借用的内容。
## 借用
在[所有权](http://doc.rust-lang.org/nightly/book/ownership.html)章节的最后，我们有一个看起来像这样的糟糕的函数：
~~~
fn foo(v1: Vec<i32>, v2: Vec<i32>) -> (Vec<i32>, Vec<i32>, i32) {
// do stuff with v1 and v2
// hand back ownership, and the result of our function
(v1, v2, 42)
}
let v1 = vec![1, 2, 3];
let v2 = vec![1, 2, 3];
let (v1, v2, answer) = foo(v1, v2);
~~~
这并不是理想的Rust代码，然而，因为它木有利用借用的优势。这是它的第一步：
~~~
fn foo(v1: &Vec<i32>, v2: &Vec<i32>) -> i32 {
// do stuff with v1 and v2
// return the answer
42
}
let v1 = vec![1, 2, 3];
let v2 = vec![1, 2, 3];
let answer = foo(&v1, &v2);
// we can use v1 and v2 here!
~~~
与其获取`Vec`作为我们的参数，我们获取一个引用：`&Vec`。并与其直接传递`v1`和`v2`，我们传递`&v1`和`&v2`。我们称`&T`类型为一个”引用“，而与其拥有这个资源，它借用了所有权。一个借用变量的绑定在它离开作用域时并不释放资源。这意味着`foo()`调用之后，我们可以再次使用原始的绑定。
引用是不可变的，就像绑定一样。这意味着在`foo()`中，向量完全不能被改变：
~~~
fn foo(v: &Vec<i32>) {
v.push(5);
}
let v = vec![];
foo(&v);
~~~
有如下错误：
~~~
error: cannot borrow immutable borrowed content `*v` as mutable
v.push(5);
^
~~~
放入一个值改变了向量，所以我们不允许这样做
## `&mut`引用
这有第二种类型的引用：`&mut T`。一个“可变引用”允许你改变你借用的资源。例如：
~~~
let mut x = 5;
{
let y = &mut x;
*y += 1;
}
println!("{}", x);
~~~
这会打印`6`。我们让`y`是一个`x`的可变引用，接着把`y`指向的值加一。你会注意到`x`也必须被标记为`mut`，如果它不是，我们不能获取一个不可变值的可变引用。
否则，`&mut`引用就像一个普通引用。这两者之间_有_巨大的区别，以及它们如何交互的。你可以说在上面的例子中有些地方是可疑的，因为我们需要额外的作用域，包围在`{`和`}`之间。如果我们移除它们，我们得到一个错误：
~~~
error: cannot borrow `x` as immutable because it is also borrowed as mutable
println!("{}", x);
^
note: previous borrow of `x` occurs here; the mutable borrow prevents
subsequent moves, borrows, or modification of `x` until the borrow ends
let y = &mut x;
^
note: previous borrow ends here
fn main() {
}
^
~~~
它们被证明是规则。
## 规则
Rust中的借用有一些规则：
第一，任何借用必须位于比拥有着更小的作用域。第二，你可以有一个或另一个这两种类型的借用，不过不能同时拥有它们（这两种）：
* 0个或N个资源的引用（&T）
* 只有1个可变引用（(&mut T）
你可能注意到这些非常的熟悉，虽然并不完全一样，它类似于数据竞争的定义：
> 当2个或更多个指针同时访问同一内存位置，当它们中至少有1个在写，同时操作并不是同步的时候存在一个“数据竞争”
通过引用，你可以拥有你像拥有的任意多的引用，因为它们没有一个在写。如果你在写，并且你需要2个或更多相同内存的指针，则你只能一次拥有一个`&mut`。这就是Rust如何在编译时避免数据竞争：我们会得到错误，如果我们打破规则的话。
在记住这些之后，让我们再次考虑我们的例子。
## 理解作用域（Thinking in scopes）
这是代码：
~~~
let mut x = 5;
let y = &mut x;
*y += 1;
println!("{}", x);
~~~
这些代码给我们如下错误：
~~~
error: cannot borrow `x` as immutable because it is also borrowed as mutable
println!("{}", x);
^
~~~
这是因为我们违反了规则：我们有一个指向`x`的`&mut T`，所以我们不允许创建任何`&T`。一个或另一个。错误记录提示了我们应该如何理解这个错误：
~~~
note: previous borrow ends here
fn main() {
}
^
~~~
换句话说，可变借用在剩下的例子中一直存在。我们需要的是可变借用在我们尝试调用`println!`_之前_结束并生成一个不可变借用。在Rust中，借用绑定在借用有效的作用域上。而我们的作用域看起来像这样：
~~~
let mut x = 5;
let y = &mut x; // -+ &mut borrow of x starts here
// |
*y += 1; // |
// |
println!("{}", x); // -+ - try to borrow x here
// -+ &mut borrow of x ends here
~~~
这些作用域冲突了：我们不能在`y`在作用域中时生成一个`&x`。
所以我们增加了一个大括号：
~~~
let mut x = 5;
{
let y = &mut x; // -+ &mut borrow starts here
*y += 1; // |
} // -+ ... and ends here
println!("{}", x); // <- try to borrow x here
~~~
这就没有问题了。我们的可变借用在我们创建一个不可变引用之前离开了作用域。不过作用域是看清一个借用持续多久的关键。
## 借用避免的问题（Issues borrowing prevents）
为什么要有这些限制性规则？好吧，正如我们记录的，这些规则避免了数据竞争。数据竞争能造成何种问题呢？这里有一些。
### 迭代器失效（Iterator invalidation）
一个例子是“迭代器失效”，它在当你尝试改变你正在迭代的集合时发生。Rust的借用检查器阻止了这些发生：
~~~
let mut v = vec![1, 2, 3];
for i in &v {
println!("{}", i);
}
~~~
这会打印出1到3.因为我们在向量上迭代，我们只得到了元素的引用。同时`v`本身作为不可变借用，它意味着我们在迭代时不能改变它：
~~~
let mut v = vec![1, 2, 3];
for i in &v {
println!("{}", i);
v.push(34);
}
~~~
这里是错误：
~~~
error: cannot borrow `v` as mutable because it is also borrowed as immutable
v.push(34);
^
note: previous borrow of `v` occurs here; the immutable borrow prevents
subsequent moves or mutable borrows of `v` until the borrow ends
for i in &v {
^
note: previous borrow ends here
for i in &v {
println!(“{}”, i);
v.push(34);
}
^
~~~
我们不能修改`v`因为它被循环借用。
### 释放后使用
引用必须与它引用的值活的一样长。Rust会检查你的引用的作用域来保证这是正确的。
如果Rust并没有检查这个属性，我们可能意外的使用了一个无效的引用。例如：
~~~
let y: &i32;
{
let x = 5;
y = &x;
}
println!("{}", y);
~~~
我们得到这个错误：
~~~
error: `x` does not live long enough
y = &x;
^
note: reference must be valid for the block suffix following statement 0 at
2:16...
let y: &i32;
{
let x = 5;
y = &x;
}
note: ...but borrowed value is only valid for the block suffix following
statement 0 at 4:18
let x = 5;
y = &x;
}
~~~
换句话说，`y`只在`x`存在的作用域中有效。一旦`x`消失，它变成无效的引用。为此，这个错误说借用“并没有活的足够久”因为它在应该有效的时候是无效的。
当引用在它引用的变量_之前_声明会导致类似的问题：
~~~
let y: &i32;
let x = 5;
y = &x;
println!("{}", y);
~~~
我们得到这个错误：
~~~
error: `x` does not live long enough
y = &x;
^
note: reference must be valid for the block suffix following statement 0 at
2:16...
let y: &i32;
let x = 5;
y = &x;
println!("{}", y);
}
note: ...but borrowed value is only valid for the block suffix following
statement 1 at 3:14
let x = 5;
y = &x;
println!("{}", y);
}
~~~