Rust中所有权和作用域及生命周期
在 Rust 中，作用域（Scope） 和所有权（Ownership） 是保证内存安全的核心机制，它们共同决定了变量的生命周期和内存管理方式，无需垃圾回收即可避免悬垂指针、双重释放等内存问题。
| 概念 | 含义 | 是否自动触发销毁 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 作用域 (Scope) | 变量的可访问范围 | ✅ 是 | { let x = 1; } |
| 所有权 (Ownership) | 资源的唯一持有者 | ✅ 是 | let s = String::from("hi"); |
| 生命周期 (Lifetime) | 引用的有效区间 | N/A | &'a str |
作用域
作用域是 一个变量（或引用、资源）在程序中 有效、可访问 的代码范围 ，由一对花括号 {}界定：
- 确定性：作用域由代码结构显式界定，编译期即可确定，不存在运行时动态变化。
- 自动清理：变量离开作用域时，Rust 会自动调用其
drop方法（若实现drop trait，则会调用drop函数），释放内存或资源（如文件句柄、网络连接等）。 - 嵌套性：作用域可以嵌套（内部作用域包含在外部作用域中），内部作用域可访问外部作用域的实体，但外部作用域无法访问内部作用域的实体。
| 事件 | 发生时机 | 结果 |
|---|---|---|
| 变量绑定 | let语句执行时 | 内存分配（如需要） |
| 变量可见 | 声明点到作用域结束 | 可在作用域内访问 |
| 变量销毁 | 离开作用域时 | 调用 drop释放资源 |
变量销毁顺序：
- 后进先出（LIFO）：与声明顺序相反
- 结构体字段：按声明顺序销毁
- 数组元素：从第一个到最后一个
所有权
Rust不使用垃圾回收（GC），而是通过所有权系统在编译期保证内存安全 （在编译时会进行一系列的规则检查，在运行时零开销）：
- 每个值（资源）在任意时刻只有一个所有者（owner）；
- 当所有者离开作用域时，值会被自动销毁；
- 赋值或传参会移动（move）所有权，除非实现了copy trait。
引用与借用
为避免 频繁的 所有权转移，Rust 提供引用机制：
- 不可变引用（&T）：只读访问，允许多个同时存在；
- 可变引用（&mut T）：可修改数据，同一作用域内仅允许一个。
借用规则：
- 引用作用域不能超过被引用变量的作用域（防悬垂引用）；
- 同一数据不能同时存在可变和不可变引用。
赋值
赋值会引起两种语义：
- 复制（Copy）：
a仍然可以使用；- 隐式浅拷贝：若类型实现
Copytrait（如整数、浮点、布尔、字符、元组中全是 Copy 类型） ，则赋值时为Copy语义，不会转移所有权； - Clone（显式深拷贝）：会同时复制堆数据；
- 隐式浅拷贝：若类型实现
- 所有权转移（Move）：
a不再有效。
Copy类型
| 类型类别 | 示例 | 特点 |
|---|---|---|
| 标量类型（scalar） | i32, u64, f32, bool, char | 小且固定大小，在栈上 |
| 全是 Copy 类型的元组 | (i32, i32), (u8, f64, bool) | 只要里面的每个字段都是 Copy |
| 指针类（少见） | *const T, *mut T原生指针） | 不涉及所有权 |
| 函数指针 | fn(i32) -> i32 | 也是 Copy |
非Copy类型
| 类型类别 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|
| 堆分配类型 | String, Vec<T>, Box<T> | 包含堆内存指针 |
| 动态大小类型 | &str, [T], Rc<T> | 内部有引用计数或指针 |
| 用户定义结构体 | 若字段中含非 Copy 成员 | 整体就不是 Copy |
| 其他智能指针 | Rc<T>, Arc<T>, RefCell<T> | 有运行时管理逻辑 |
生命周期
生命周期（Lifetime）是编译器用来确保引用始终有效的核心机制。它们解决了"悬垂引用"问题——确保引用不会指向已释放的内存。生命周期是引用有效的作用域范围，由编译器在编译时进行静态分析，不产生运行时开销：** **
- 引用在使用时是合法的；
- 不会悬空（dangling reference）；
- 不会同时存在冲突的可变/不可变引用。
生命周期参数用 'a, 'b 等表示（撇号 '声明生命周期参数），用法类似于泛型参数 （ 在大多数情况下，Rust 会自动推断生命周期）：
'a并不改变运行逻辑；- 只是告诉编译器：“这些引用之间的关系”。
| 场景 | 必须明确标注的情况 | 可以省略的情况 |
|---|---|---|
| 结构体 | 包含引用类型的字段（无论多少个） | 不包含引用字段（无需生命周期参数） |
| 普通函数 | 1. 多个引用参数且返回引用 | 1. 无返回引用 2. 单个引用参数且返回引用 |
| 方法 | 1. 返回引用来自外部参数（非 self） 2. 多个外部引用参数且返回引用 | 1. 返回引用来自 self 2. 无返回引用 |
| Trait / 枚举 | 包含引用类型的关联项或方法参数 / 返回值 | 不包含引用类型的关联项或方法 |
结构体
当结构体包含引用时，必须为这些引用标注生命周期，以确保结构体的生命周期不超过它所包含的引用的生命周期。
若结构体的多个引用来自不同生命周期，可用多个参数区分
// 两个字段的生命周期不同，分别用'a和'b标注
struct Article<'a, 'b> {content: &'a str, // 内容的生命周期为'asource: &'b str, // 来源的生命周期为'b
}fn main() {let content = String::from("Rust lifecycle intro");let source = "Wikipedia"; // 字符串字面量，生命周期为'staticlet art = Article {content: &content,source: &source,};// art的生命周期受限于'a（content的生命周期）和'b（source的生命周期）中较短的一个
}
函数
函数的参数或返回值如果是引用类型，可能需要标注生命周期。
省略规则：编译器有3条生命周期推断规则，允许在常见场景中省略显式注解：
- 每个引用参数获取自己的生命周期参数
fn foo(x: &i32) // 隐式：fn foo<'a>(x: &'a i32)
fn foo(x: &i32, y: &i32) // 隐式：fn foo<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32)
- 若只有一个输入生命周期参数，它被赋予所有输出生命周期参数；
fn bar(x: &str) -> &str // 隐式：fn bar<'a>(x: &'a str) -> &'a str
- 若有多个输入生命周期参数，但其中一个是
&self或&mut self，则self的生命周期将赋予所有输出周期参数
impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {fn announce(&self, announcement: &str) -> &str {// 隐式：fn announce<'b>(&'a self, announcement: &'b str) -> &'a strprintln!("注意：{}", announcement);self.part}
}
必须明确标注的情况：当函数的返回引用可能来自多个输入引用，或编译器无法推断返回引用的来源时，必须手动标注生命周期：
- 多个输入引用参数，且返回引用
// 正确示例：标注生命周期'a，说明x、y和返回值共享同一生命周期
// 注解'a表示：返回的引用必须来自x或y，且其生命周期不超过x和y中生命周期较短的那个。
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {if x.len() > y.len() { x } else { y }
}
静态生命周期
'static是一个特殊的生命周期，表示引用可以存活到整个程序运行期间。常见：
- 字符串字面量：存储在程序的只读内存中，生命周期为
'static。 - 显式声明为
'static的引用（需确保引用的值确实能存活到程序结束，否则会报错）。