面试题：Rust中引用可变性如何确保数据安全性

Question

在Rust中，描述不可变引用和可变引用的规则，并且说明这些规则是怎样防止数据竞争从而确保数据安全性的。请举例代码说明违反这些规则时编译器会给出怎样的错误。

Answer 1

不可变引用和可变引用规则

1. 不可变引用规则：
   • 可以有多个不可变引用同时存在。这允许在不修改数据的情况下，从多个地方读取数据。
2. 可变引用规则：
   • 在任何给定时间，只能有一个可变引用。这确保了在修改数据时，不会有其他引用同时尝试访问或修改同一数据。
   • 可变引用和不可变引用不能同时存在。即要么有多个不可变引用，要么有一个可变引用，但不能同时存在这两种引用。

防止数据竞争确保数据安全性

1. 数据竞争条件：当多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程在写数据时，就会发生数据竞争，导致未定义行为。
2. Rust规则防止数据竞争方式：
   • 通过限制可变引用的唯一性，Rust确保在任何时刻只有一个引用可以修改数据，避免了多个写操作或者读写操作同时进行的情况，从而防止数据竞争。

违反规则代码示例及错误

fn main() {
    let mut num = 5;
    let r1 = # // 不可变引用
    let r2 = # // 另一个不可变引用，合法
    let r3 = &mut num; // 错误：因为已经存在不可变引用r1和r2，不能同时有可变引用
    println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);
    println!("r3: {}", r3);
}

上述代码在let r3 = &mut num;处会报错，编译器给出的错误类似：

error[E0502]: cannot borrow `num` as mutable because it is also borrowed as immutable
 --> src/main.rs:5:13
  |
3 |     let r1 = #
  |              ---- immutable borrow occurs here
4 |     let r2 = #
  |              ---- immutable borrow occurs here
5 |     let r3 = &mut num;
  |             ^^^^^^^^ mutable borrow occurs here
6 |     println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2);
  |                           -- immutable borrow later used here

此错误明确指出因为已经存在不可变引用r1和r2，所以不能对num进行可变借用。这体现了Rust编译器对引用规则的严格检查，从而防止数据竞争。