总是有很多很多人来问我对Rust语言怎么看的问题，在各种地方被at，其实，我不是很想表达我的想法。因为在不同的角度，你会看到不同的东西。编程语言这个东西，老实说很难评价，在学术上来说，Lisp就是很好的语言，然而在工程使用的时候，你会发现Lisp没什么人用，而Javascript或是PHP这样在学术很糟糕设计的语言反而成了主流，你觉得C++很反人类，在我看来，C++有很多不错的设计，而且对于了解编程语言和编译器的和原理非常有帮助。但是C++也很危险，所以，出现在像Java或Go 语言来改善它，Rust本质上也是在改善C++的。他们各自都有各自的长处和优势。

因为各个语言都有好有不好，因此，我不想用别的语言来说Rust的问题，或是把Rust吹成朵花以打压别的语言，写成这样的文章，是很没有营养的事。本文主要想通过Rust的语言设计来看看编程中的一些挑战，尤其是Rust重要的一些编程范式，这样反而更有意义一些，因为这样你才可能一通百通。

这篇文章的篇幅比较长，而且有很多代码，信息量可能会非常大，所以，在读本文前，你需要有如下的知识准备：

• 你对C++语言的一些特性和问题比较熟悉。尤其是：指针、引用、右值move、内存对象管理、泛型编程、智能指针……
• 当然，你还要略懂Rust，不懂也没太大关系，但本文不会是Rust的教程文章，可以参看“Rust的官方教程”（中文版）

因为本文太长，所以，我有必要写上 TL;DR ——

Java 与 Rust 在改善C/C++上走了完全不同的两条路，他们主要改善的问题就是C/C++ Safety的问题。所谓C/C++编程安全上的问题，主要是：内存的管理、数据在共享中出现的“野指针”、“野引用”的问题。

• 对于这些问题，Java用引用垃圾回收再加上强大的VM字节码技术可以进行各种像反射、字节码修改的黑魔法。
• 而Rust不玩垃圾回收，也不玩VM，所以，作为静态语言的它，只能在编译器上下工夫。如果要让编译器能够在编译时检查出一些安全问题，那么就需要程序员在编程上与Rust语言有一些约定了，其中最大的一个约定规则就是变量的所有权问题，并且还要在代码上“去糖”，比如让程序员说明一些共享引用的生命周期。
• Rust的这些所有权的约定造成了很大的编程上的麻烦，写Rust的程序时，基本上来说，你的程序再也不要想可能轻轻松松能编译通过了。而且，在面对一些场景的代码编写时，如：函数式的闭包，多线程的不变数据的共享，多态……开始变得有些复杂，并会让你有种找不到北的感觉。
• Rust的Trait很像Java的接口，通过Trait可以实现C++的拷贝构造、重载操作符、多态等操作……
• 学习Rust的学习曲线并不平，用Rust写程序，基本上来说，一旦编译通过，代码运行起来是安全的，bug也是很少的。

如果你对Rust的概念认识的不完整，你完全写不出程序，那怕就是很简单的一段代码。这逼着程序员必需了解所有的概念才能编码。但是，另一方面也表明了这门语言并不适合初学者……

变量的可变性

首先，Rust里的变量声明默认是“不可变的”，如果你声明一个变量 let x = 5;  变量 x 是不可变的，也就是说，x = y + 10; 编译器会报错的。如果你要变量的话，你需要使用 mut 关键词，也就是要声明成 let mut x = 5; 表示这是一个可以改变的变量。这个是比较有趣的，因为其它主流语言在声明变量时默认是可变的，而Rust则是要反过来。这可以理解，不可变的通常来说会有更好的稳定性，而可变的会代来不稳定性。所以，Rust应该是想成为更为安全的语言，所以，默认是 immutable 的变量。当然，Rust同样有 const 修饰的常量。于是，Rust可以玩出这么些东西来：

• 常量：const LEN:u32 = 1024; 其中的 LEN 就是一个u32 的整型常量（无符号32位整型），是编译时用到的。
• 可变的变量： let mut x = 5; 这个就跟其它语言的类似， 在运行时用到。
• 不可变的变量：let x= 5; 对这种变量，你无论修改它，但是，你可以使用 let x = x + 10; 这样的方式来重新定义一个新的 x。这个在Rust里叫 Shadowing ，第二个 x  把第一个 x 给遮蔽了。

不可变的变量对于程序的稳定运行是有帮助的，这是一种编程“契约”，当处理契约为不可变的变量时，程序就可以稳定很多，尤其是多线程的环境下，因为不可变意味着只读不写，其他好处是，与易变对象相比，它们更易于理解和推理，并提供更高的安全性。有了这样的“契约”后，编译器也很容易在编译时查错了。这就是Rust语言的编译器的编译期可以帮你检查很多编程上的问题。

对于标识不可变的变量，在 C/C++中我们用const ，在Java中使用 final ，在 C#中使用 readonly ，Scala用 val ……（在Javascript 和Python这样的动态语言中，原始类型基本都是不可变的，而自定义类型是可变的）。

对于Rust的Shadowing，我个人觉得是比较危险的，在我的职业生涯中，这种使用同名变量（在嵌套的scope环境下）带来的bug还是很不好找的。一般来说，每个变量都应该有他最合适的名字，最好不要重名。

变量的所有权

这个是Rust这个语言中比较强调的一个概念。其实，在我们的编程中，很多情况下，都是把一个对象（变量）传递过来传递过去，在传递的过程中，传的是一份复本，还是这个对象本身，也就是所谓的“传值还是传引用”的被程序员问得最多的问题。

• 传递副本（传值）。把一个对象的复本传到一个函数中，或是放到一个数据结构容器中，可能需要出现复制的操作，这个复制对于一个对象来说，需要深度复制才安全，否则就会出现各种问题。而深度复制就会导致性能问题。
• 传递对象本身（传引用）。传引用也就是不需要考虑对象的复制成本，但是需要考虑对象在传递后，会多个变量所引用的问题。比如：我们把一个对象的引用传给一个List或其它的一个函数，这意味着，大家对同一个对象都有控制权，如果有一个人释放了这个对象，那边其它人就遭殃了，所以，一般会采用引用计数的方式来共享一个对象。引用除了共享的问题外，还有作用域的问题，比如：你从一个函数的栈内存中返回一个对象的引用给调用者，调用者就会收到一个被释放了个引用对象（因为函数结束后栈被清了）。

这些东西在任何一个编程语言中都是必需要解决的问题，要足够灵活到让程序员可以根据自己的需要来写程序。

在C++中，如果你要传递一个对象，有这么几种方式：

• 引用或指针。也就是不建复本，完全共享，于是，但是会出现悬挂指针（Dangling Pointer）又叫野指针的问题，也就是一个指针或引用指向一块废弃的内存。为了解决这个问题，C++的解决方案是使用 share_ptr 这样的托管类来管理共享时的引用计数。
• 传递复本，传递一个拷贝，需要重载对象的“拷贝构造函数”和“赋值构造函数”。
• 移动Move。C++中，为了解决一些临时对象的构造的开销，可以使用Move操作，把一个对象的所有权移动到给另外一个对象，这个解决了C++中在传递对象时的会产生很多临时对象来影响性能的情况。

C++的这些个“神操作”，可以让你非常灵活地在各种情况下传递对象，但是也提升整体语言的复杂度。而Java直接把C/C++的指针给废了，用了更为安全的引用 ，然后为了解决多个引用共享同一个内存，内置了引用计数和垃圾回收，于是整个复杂度大大降低。对于Java要传对象的复本的话，需要定义一个通过自己构造自己的构造函数，或是通过prototype设计模式的 clone() 方法来进行，如果你要让Java解除引用，需要明显的把引用变量赋成 null 。总之，无论什么语言都需要这对象的传递这个事做好，不然，无法提供相对比较灵活编程方法。

在Rust中，Rust强化了“所有权”的概念，下面是Rust的所有者的三大铁律：

1. Rust 中的每一个值都有一个被称为其 所有者（owner）的变量。
2. 值有且只有一个所有者。
3. 当所有者（变量）离开作用域，这个值将被丢弃。

这意味着什么？

如果你需要传递一个对象的复本，你需要给这个对象实现 Copy trait ，trait 怎么翻译我也不知道，你可以认为是一个对象的一些特别的接口（可以用于一些对像操作上的约定，比如：Copy 用于复制（类型于C++的拷贝构造和赋值操作符重载），Display 用于输出（类似于Java的 toString()），还有 Drop 和操作符重载等等，当然，也可以是对象的方法，或是用于多态的接口定义，后面会讲）。

对于内建的整型、布尔型、浮点型、字符型、多元组都被实现了 Copy 所以，在进行传递的时候，会进行memcpy 这样的复制（bit-wise式的浅拷贝）。而对于对象来说，则不行，在Rust的编程范式中，需要使用的是 Clone trait。

于是，Copy 和 Clone 这两个相似而又不一样的概念就出来了，Copy 主要是给内建类型，或是由内建类型全是支持 Copy 的对象，而 Clone 则是给程序员自己复制对象的。嗯，这就是浅拷贝和深拷贝的差别，Copy 告诉编译器，我这个对象可以进行 bit-wise的复制，而 Clone 则是指深度拷贝。

像 String 这样的内部需要在堆上分布内存的数据结构，是没有实现Copy 的（因为内部是一个指针，所以，语义上是深拷贝，浅拷贝会招至各种bug和crash），需要复制的话，必需手动的调用其 clone() 方法，如果不这样的的话，当在进行函数参数传递，或是变量传递的时候，所有权一下就转移了，而之前的变量什么也不是了（这里编译器会帮你做检查有没有使用到所有权被转走的变量）。这个相当于C++的Move语义。

参看下面的示例，你可能对Rust自动转移所有权会有更好的了解（代码中有注释了，我就不多说了）。

// takes_ownership 取得调用函数传入参数的所有权，因为不返回，所以变量进来了就出不去了
fn takes_ownership(some_string: String) {
    println!("{}", some_string);
} // 这里，some_string 移出作用域并调用 drop 方法。占用的内存被释放

// gives_ownership 将返回值移动给调用它的函数
fn gives_ownership() -> String {
    let some_string = String::from("hello"); // some_string 进入作用域.
    some_string // 返回 some_string 并移出给调用的函数
}

// takes_and_gives_back 将传入字符串并返回该值
fn takes_and_gives_back(mut a_string: String) -> String {
    a_string.push_str(", world");
    a_string  // 返回 a_string 将所有权移出给调用的函数
}

fn main()
{
    // gives_ownership 将返回值移给 s1
    let s1 = gives_ownership();
    // 所有权转给了 takes_ownership 函数, s1 不可用了
    takes_ownership(s1);
    // 如果编译下面的代码，会出现s1不可用的错误
    // println!("s1= {}", s1);
    //                    ^^ value borrowed here after move
    let s2 = String::from("hello");// 声明s2
    // s2 被移动到 takes_and_gives_back 中, 它也将返回值移给 s3。
    // 而 s2 则不可用了。
    let s3 = takes_and_gives_back(s2);
    //如果编译下面的代码，会出现可不可用的错误
    //println!("s2={}, s3={}", s2, s3);
    //                         ^^ value borrowed here after move
    println!("s3={}", s3);
}

这样的 Move 的方式，在性能上和安全性上都是非常有效的，而Rust的编译器会帮你检查出使用了所有权被move走的变量的错误。而且，我们还可以从函数栈上返回对象了，如下所示：

fn new_person() -> Person {
    let person = Person {
        name : String::from("Hao Chen"),
        age : 44,
        sex : Sex::Male,
        email: String::from("[email protected]"),
    };
    return person;
}

fn main() {
   let p  = new_person();
}

因为对象是Move走的，所以，在函数上 new_person() 上返回的 Person 对象是Move 语言，被Move到了 main() 函数中来，这样就没有性能上的问题了。而在C++中，我们需要把对象的Move函数给写出来才能做到。因为，C++默认是调用拷贝构造函数的，而不是Move的。

Owner语义带来的复杂度

Owner + Move 的语义也会带来一些复杂度。首先，如果有一个结构体，我们把其中的成员 Move 掉了，会怎么样。参看如下的代码：

#[derive(Debug)] // 让结构体可以使用 {:?}的方式输出
struct Person {
    name :String,
    email:String,
}

let _name = p.name; // 把结构体 Person::name Move掉
println!("{} {}", _name, p.email); //其它成员可以正常访问
println!("{:?}", p); //编译出错 "value borrowed here after partial move"
p.name = "Hao Chen".to_string(); // Person::name又有了。
println!("{:?}", p); //可以正常的编译了

上面这个示例，我们可以看到，结构体中的成员是可以被Move掉的，Move掉的结构实例会成为一个部分的未初始化的结构，如果需要访问整个结构体的成员，会出现编译问题。但是后面把 Person::name补上后，又可以愉快地工作了。

下面我们再看一个更复杂的示例——这个示例模拟动画渲染的场景，我们需要有两个buffer，一个是正在显示的，另一个是下一帧要显示的。

struct Buffer {
    buffer : String,
}

struct Render {
    current_buffer : Buffer,
    next_buffer : Buffer,
}
//实现结构体 Render 的方法
impl Render { 
    //实现 update_buffer() 方法，
    //更新buffer，把 next 更新到 current 中，再更新 next
    fn update_buffer(& mut self, buf : String) {
        self.current_buffer = self.next_buffer;
        self.next_buffer = Buffer{ buffer: buf};
    }
}

上面这段代码，我们写下来没什么问题，但是 Rust 编译不会让我们编译通过。它会告诉我们如下的错误：

error[E0507]: cannot move out of self.next_buffer which is behind a mutable reference
--> /.........../xxx.rs:18:31
|
14 | self.current_buffer = self.next_buffer;
|                          ^^^^^^^^^^^^^^^^ move occurs because self.next_buffer has type Buffer,
                                            which does not implement the Copy trait

编译器会提示你，Buffer 没有 Copy trait 方法。但是，如果你实现了 Copy 方法后，你又不能享受 Move 带来的性能上快乐了。于是，到这里，你开始进退两难了，完全不知道取舍了。

• Rust编译器不让我们在成员方法中把成员Move走，因为 self 引用就不完整了。
• Rust要我们实现 Copy Trait，但是我们不想要拷贝，因为我们就是想把 next_buffer move 到 current_buffer 中

我们想要同时 Move 两个变量，参数 buf move 到 next_buffer 的同时，还要把 next_buffer 里的东西 move 到 current_buffer 中。 我们需要一个“杂耍”的技能。

这个需要动用 std::mem::replace(&dest, src) 函数了， 这个函数技把 src 的值 move 到 dest 中，然后把 dest 再返回出来（这其中使用了 unsafe 的一些底层骚操作才能完成）。Anyway，最终是这样实现的：

use std::mem::replace
fn update_buffer(& mut self, buf : String) { 
  self.current_buffer = replace(&mut self.next_buffer, Buffer{buffer : buf}); 
}

不知道你觉得这样“杂耍”的代码看上去怎么以样？我觉得可读性下降一个数量级。

引用（借用）和生命周期

下面，我们来讲讲引用，因为把对象的所有权 Move 走了的情况，在一些时候肯定不合适，比如，我有一个 compare(s1: Student, s2: Student) -> bool 我想比较两个学生的平均份成绩， 我不想传复本，因为太慢，我也不想把所有权交进去，因为只是想计算其中的数据。这个时候，传引用就是一个比较好的选择，Rust同样支持传引用。只需要把上面的函数声明改成：compare(s1 :&Student, s2 : &Student) -> bool 就可以了，在调用的时候，compare (&s1, &s2);  与C++一致。在Rust中，这也叫“借用”（嗯，Rust发明出来的这些新术语，在语义上感觉让人更容易理解了，当然，也增加了学习的复杂度了）

引用（借用）

另外，如果你要修改这个引用对象，就需要使用“可变引用”，如：foo( s : &mut Student) 以及 foo( &mut s);另外，为了避免一些数据竞争需要进行数据同步的事，Rust严格规定了——在任意时刻，要么只能有一个可变引用，要么只能有多个不可变引用。

这些严格的规定会导致程序员失去编程的灵活性，不熟悉Rust的程序员可能会在一些编译错误下会很崩溃，但是你的代码的稳定性也会提高，bug率也会降低。

另外，Rust为了解决“野引用”的问题，也就是说，有多个变量引用到一个对象上，还不能使用额外的引用计数来增加程序运行的复杂度。那么，Rust就要管理程序中引用的生命周期了，而且还是要在编译期管理，如果发现有引用的生命周期有问题的，就要报错。比如：

let r;
{
    let x = 10;
    r = &x;
}
println!("r = {}",r );

上面的这段代码，程序员肉眼就能看到 x 的作用域比 r  小，所以导致 r 在 println() 的时候 r 引用的 x 已经没有了。这个代码在C++中可以正常编译而且可以执行，虽然最后可以打出“内嵌作用域”的 x 的值，但其实这个值已经是有问题的了。而在 Rust 语言中，编译器会给出一个编译错误，告诉你，“x dropped here while still borrowed”，这个真是太棒了。

但是这中编译时检查的技术对于目前的编译器来说，只在程序变得稍微复杂一点，编译器的“失效引用”检查就不那么容易了。比如下面这个代码：

fn order_string(s1 : &str, s2 : &str) -> (&str, &str) {
    if s1.len() < s2.len() {
        return (s1, s2);
    }
    return (s2, s1);
}

let str1 = String::from("long long long long string");
let str2 = "short string";

let (long_str, short_str) = order_string(str1.as_str(), str2);

println!(" long={} nshort={} ", long_str, short_str);

我们有两个字符串，str1 和 str2 我们想通过函数 order_string() 把这两个字串符返回成 long_str 和 short_str  这样方便后面的代码进行处理。这是一段很常见的处理代码的示例。然而，你会发现，这段代码编译不过。编译器会告诉你，order_string() 返回的 引用类型 &str 需要一个 lifetime的参数 – “ expected lifetime parameter”。这是因为Rust编译无法通过观察静态代码分析返回的两个引用返回值，到底是(s1, s2) 还是 (s2, s1) ，因为这是运行时决定的。所以，返回值的两个参数的引用没法确定其生命周期到底是跟 s1 还是跟 s2，这个时候，编译器就不知道了。

生命周期

如果你的代码是下面这个样子，编程器可以自己推导出来，函数 foo() 的参数和返回值都是一个引用，他们的生命周期是一样的，所以，也就可以编译通过。

fn foo (s: &mut String) -> &String {
    s.push_str("coolshell");
    s
}

let mut s = "hello, ".to_string();
println!("{}", foo(&mut s))

而对于传入多个引用，返回值可能是任一引用，这个时候编译器就犯糊涂了，因为不知道运行时的事，所以，就需要程序员来标注了。

fn long_string<'c>(s1 : &'c str, s2 : &'c str) -> (&'c str, &'c str) {
    if s1.len() > s2.len() {
        return (s1, s2);
    }
    return (s2, s1);
}

上述的Rust的标注语法，用个单引号加一个任意字符串