面试题：Rust类型系统之所有权与借用

Question

请阐述Rust中所有权（ownership）和借用（borrowing）的概念，以及它们如何在类型系统中确保内存安全。并举例说明一个由于违反借用规则而导致编译错误的场景，以及如何修改代码来解决该问题。

Answer 1

所有权（ownership）概念

1. 基本原则：在Rust中，每一个值都有一个被称为其所有者（owner）的变量。值在任一时刻有且只有一个所有者。当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。例如：

{
    let s = String::from("hello"); // s 是 "hello" 这个字符串的所有者
} // 这里 s 离开了作用域，字符串 "hello" 被丢弃

2. 内存管理机制：Rust通过所有权系统来管理内存，而无需像C++ 那样手动释放内存。对于简单数据类型（如i32），其值存储在栈上，当变量离开作用域时，栈上空间自动释放。对于复杂数据类型（如String），数据存储在堆上，栈上存储指向堆数据的指针和长度等元数据。当所有者离开作用域，Rust会自动调用drop函数释放堆上内存。

借用（borrowing）概念

1. 定义：借用允许在不获取所有权的情况下使用值。有两种类型的借用：
   • 不可变借用：使用&符号，例如let s1 = &s;，这里s1是对s的不可变借用，不可变借用允许多个同时存在。
   • 可变借用：使用&mut符号，例如let s2 = &mut s;，可变借用只允许一个同时存在，以防止数据竞争。
2. 生命周期规则：借用有生命周期的概念，借用的生命周期必须足够短，以确保在借用结束前被借用的值不会被释放。

确保内存安全

1. 防止悬空指针：由于值只有一个所有者，当所有者离开作用域值被释放，不存在其他指针指向已释放的内存，避免了悬空指针问题。
2. 防止数据竞争：通过可变借用只能有一个，且不可变借用和可变借用不能同时存在的规则，防止多个指针同时读写数据导致的数据竞争问题。

违反借用规则导致编译错误场景

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    let r1 = &s;
    let r2 = &mut s; // 编译错误：不能在有不可变借用 r1 时创建可变借用 r2
    println!("{}, {}", r1, r2);
}

修改代码解决问题

fn main() {
    let mut s = String::from("hello");
    {
        let r1 = &s;
        println!("r1: {}", r1);
    } // r1 离开作用域，借用结束
    let r2 = &mut s;
    println!("r2: {}", r2);
}

通过在不同的作用域内创建不可变借用和可变借用，确保不可变借用和可变借用不会同时存在，从而满足借用规则。