Rust内存模型:安全与性能的完美平衡

Rust 内存模型的核心概念

Rust 的内存模型围绕所有权、借用和生命周期展开,确保内存安全无需垃圾回收。变量是值的绑定,存储在栈或堆上,所有权规则决定值的生命周期。指针分为引用(&T/&mut T)和原始指针(*const T/*mut T),引用遵循严格的借用规则。

变量与值的存储方式

栈内存用于固定大小的值,如基本类型和结构体。堆内存用于动态大小或大型数据,通过 Box<T> 或集合类型分配。变量默认存储在栈上,但指向堆数据的指针可能同时存在。

let x = 5; // 栈分配
let y = Box::new(42); // 堆分配,y 是指针

所有权与移动语义

每个值有唯一所有者,赋值或传参时所有权可能转移(移动)。移动后原变量失效,防止重复释放。Copy 特质允许按位复制而非移动,如整数类型。

let s1 = String::from("hello"); // 堆分配字符串
let s2 = s1; // 所有权移动,s1 不再可用

引用与借用规则

引用分为不可变(&T)和可变(&mut T),遵循规则:任意时刻只能有一个可变引用或多个不可变引用,且引用不能超过被引用值的生命周期。

let mut v = vec![1, 2, 3];
let r1 = &v[0]; // 不可变引用
let r2 = &mut v; // 编译错误:已有不可变引用

生命周期注解

生命周期参数(如 'a)确保引用有效性。编译器通过静态分析验证引用不会悬垂。函数签名或结构体定义中需显式标注跨引用的关系。

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

原始指针与不安全代码

原始指针无借用检查,需在 unsafe 块中使用。常用于 FFI 或特定优化场景,但需手动确保内存安全。

let mut num = 10;
let r1 = &num as *const i32;
let r2 = &mut num as *mut i32;
unsafe { *r2 += 1; }

智能指针与内存管理

Box<T> 提供单一所有权堆分配;Rc<T> 允许多所有权但仅线程安全;Arc<T> 为原子引用计数;Mutex<T> 提供线程内部可变性。这些类型通过析构器自动释放内存。

use std::rc::Rc;
let a = Rc::new(42);
let b = a.clone(); // 引用计数增加

内存安全与零成本抽象

Rust 的模型通过编译时检查消除数据竞争和内存泄漏。所有权系统无需运行时开销,与手动管理性能相当。unsafe 代码块明确标记潜在风险区域,隔离安全与不安全逻辑。

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09-29 15:34
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北京航空航天大学 C++
做个有文化的流氓:结果是好的,过程不重要,而且你的offer太多了
软开人,秋招你打算投哪些...
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