面试题：Rust中如何利用所有权系统避免数据竞争

Question

请阐述Rust所有权系统的基本规则，以及它是怎样从根本上避免数据竞争的，并举一个简单的Rust代码示例说明。

Answer 1

Rust所有权系统的基本规则

1. 每个值都有一个被称为其所有者（owner）的变量：在Rust中，每个数据值都归属于一个特定的变量，该变量即为这个值的所有者。
2. 值在同一时间有且只有一个所有者：这保证了对于特定数据的访问控制权是唯一的，避免多个变量同时尝试对同一数据进行可能冲突的操作。
3. 当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃（dropped）：Rust通过这种方式自动管理内存，当变量不再在其作用域内有效时，相关联的值占用的资源会被自动释放，无需手动的内存管理操作。

避免数据竞争的原理

Rust通过所有权系统确保在同一时间内，要么只有一个可变引用（mutable reference），要么有多个不可变引用（immutable reference），但绝不可能同时存在可变引用和不可变引用。这就从根本上杜绝了数据竞争的可能，因为数据竞争通常发生在多个指针同时对同一内存位置进行读写操作时，而Rust的规则不允许这种情况出现。

简单代码示例

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1; // s1的所有权转移给s2，此时s1不再有效

    // println!("{}", s1); // 这行代码会报错，因为s1已不再拥有数据

    let mut s3 = String::from("world");
    let r1 = &s3; // 不可变引用
    let r2 = &s3; // 多个不可变引用是允许的

    // let r3 = &mut s3; // 这行代码会报错，因为此时已经存在不可变引用r1和r2
    // println!("{}, {}", r1, r2);

    let mut r4 = &mut s3; // 可变引用，在没有其他引用时可以创建
    *r4 = String::from("new world"); // 通过可变引用修改数据
    println!("{}", r4);
}

在上述代码中，通过变量间所有权的转移以及引用规则，体现了Rust所有权系统的工作方式，并且有效避免了数据竞争。