Rust 導引筆記系列 #07 -- 借用與參照

物件借用 (Borrowing)

在上次的最後有提到，若是要暫時取得某個不具 Copy 特徵的使用權，就要把所有權傳給該函式，再傳回來。

這顯然不是一個好方法，所以這次就要來介紹「借用」這個機制。

與 C 語言中的取址運算子相當類似，在一個變數的前方加上 & 符號，就可以借用一個變數的數值。在 Rust 中，「借用」會讓我們拿到一個參照，指向被借用的數值。

利用這個機制，我們可以將上一篇最後的範例改為

fn print_string(s: &String) {
    println!("The string is: {}", s);
}

fn main() {
    let str = String::from("My name is Leo, nice to meet you.");
    
    print_string(&str);
    // Only borrow the string here, 
    // we still hold the ownership.
    
    println!("{}", &str);
}

這樣就只需要傳一個指向 String 的參照進去，不會導致所有權的轉移。

參照 (Reference)

在「借用」一個數值之後，會拿到一個參照，參照究竟是什麼呢？

概念上，參照和指標是極為相似的東西，他們都指向某個在記憶體中存在的數值，可以避免大量數值的複製、修改存在於其他位置的數值等。

但這也是許多棘手問題的根源，因此，Rust 在參照上加了一些限制，若是違反了這些規則，就會導致編譯失敗 (Compile Error)。

參照必須永遠指向有效的數值
若要更動數值，必須使用可變參照（用 &mut str 取得可變參照）
對於每個數值，同時間只能有多個不可變參照或是一個可變參照指向它

參照有效性

在使用或回傳時，參照不能指向已經被拋棄的數值

fn dangling() -> &mut String {
    let s = String::new();
    
    // Return a reference of the string
    &mut s
} // But the string dropped here!!!

上面的範例中，回傳了一個參照指向只存活在這個函式中的 String ，因此在離開函式之後，它就變成一個無效的參照了！

除此之外，在 if / while 迴圈等區塊內部宣告的變數也要注意這個問題喔，Rust 是以大括號作為變數存活區域的判斷喔！！

可變參照

Rust 的參照也是有不可變 / 可變之分，預設我們只會拿到不可變參照 (immutable reference)，若要修改數值，就要用 &mut 取得可變參照 (mutable reference)，另外，原本的變數也必須宣告為可變變數才能取它的可變參照喔。

fn append_world(s: &mut String) {
    s.push_str(", world");
}

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    append_world(&mut s);
    
    // Print: Hello, world
    println!("{}", &s);
}

在使用可變參照時，有時候會需要重新指派數值，在這種情況下，就會需要在參照前加上 * 運算子 (Dereference Operator)，來強制表示我們是要對數值進行操作。

fn set_to_five(num: &mut i32) {
    *num = 5;
}

fn main() {
    let mut n = 150;
    
    // Print: 150
    println!("{}", n);
    
    set_to_five(&mut n);
    
    // Print: 5
    println!("{}", n);
}

可變參照互斥性

為了避免資料競搶 (Data Race) [1]，Rust 限制每個數值同時只能有多個不可變參照或是一個可變參照指向它，以上的兩種狀況是互斥的，當有可變參照存在時，就不可以有不可變參照；反之亦然。

以下是剛剛出現的範例，但這次同時存在兩種參照，所以會編譯失敗！

fn append_world(s: &mut String) {
    s.push_str(", world");
}

fn main() {
    let mut s = String::from("Hello");
    
    // Get a reference here
    let s_ref = &s;
    // Get a mutable reference here
    // Oops, mutable & immutable reference
    // exists at the same time!!!
    append_world(&mut s);
    
    // Print: Hello, world
    println!("{}", s_ref);
}

以上的三種限制是 Rust 對於避免參照被不當的使用，進而導致各種非預期行為所作的保護。對於經常編寫 C++ 的人來說，這些都是一些基本的安全原則，但是卻沒有被語言強制要求遵守。

對於新進入 Rust 的人可能會對於經常性的編譯失敗很感冒，但是我必須說，後續的除錯往往才是更消耗時間與精力的。試著改變寫程式的習慣與觀念吧！

Note

資料競搶 (Data Race) 與 競搶條件 (Race Condition) 是不同的東西，詳情請看 Race Condition vs. Data Race (English)

終於來到參照了呢，在接下來會轉而細談 Rust 的判斷、迴圈與資料結構。

也許會有人關心多執行緒程式的撰寫，基於以上的規則，可以避免往後發生資料競搶與競搶條件，不過也需要一些額外的同步方式才能寫入資料到共有的變數就是了…

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