Rust设计理念概览

所有权与借用

所有权是 Rust 最独特的特性，它让 Rust 无需垃圾回收（garbage collector）即可保障内存安全。

安全性与未定义行为 (UB)

程序的安全性，即程序不存在未定义行为 (Undefined Behavior, UB)。未定义行为（以下简称UB）是指该行为或指令执行后发生的情况是不确定的，具体情况包括但不限于：

• UB 执行时不会任何不良影响
• UB 产生了 Segmentation fault，导致代码崩溃
• UB 在执行不会立即崩溃，但会在特定的恶意输入下造成严重后果

对于可以直接访问内存的低级程序，UB 尤其危险。在低级系统中报告的安全漏洞中，大约 70% 是由内存 UB 引起的。常见的内存 UB 包括但不限于：

• 空指针解引用
• 悬垂指针（Dangling Pointer）
• 缓冲区溢出/数组越界访问
• 数据竞争
• 访问未初始化内存
• 双重释放（Double Free）
• 内存泄漏

更多 UB 信息参考 Rust 手册维护的 Behavior considered undefined 列表。

Rust 所有权

Rust 设计的一个基本目标是确保程序永远不会有未定义行为，但 UB 通常都是在运行时出现的，而且并不是所有 UB 都会导致不良后果，不同于Java/C#/Python 等语言在运行时检查 UB 并抛出异常的策略，Rust 直接在编译期进行 UB 的检查，这样做有如下的好处：

• 在编译时捕获错误意味着避免在生产环境中出现这些错误，从而提高软件的可靠性。

• 在编译时捕获错误意味着对这些错误的运行时检查更少，从而提高软件的性能。

为了实现这点，Rust 提出了所有权机制，即 Rust 为了保证内存安全，避免 UB，在编译器层级对代码的一系列约束和准则，具体如下：

• All heap data must be owned by exactly one variable.
  所有堆数据必须只由一个变量拥有。

• Rust deallocates heap data once its owner goes out of scope.
  一旦堆数据的所有者超出范围，Rust 就会释放堆数据。

• Ownership can be transferred by moves, which happen on assignments and function calls.
  所有权可以通过移动来转移，这发生在赋值和函数调用中。

• Heap data can only be accessed through its current owner, not a previous owner.
  堆数据只能通过其当前所有者访问，而不能通过以前的所有者进行访问。

想要了解 Rust 所有权准则具体是如何工作的，我们需要深入了解 Rust 内存模型。此处我会假设你已经对栈 (stack)、栈帧 (frame)、堆 (heap)、指针 (pointer)和 C++内存模型这些概念有基本的了解。

Rust 自动释放堆内存

C/C++将堆区内存管理完全交给程序员，导致了无数的内存泄漏 bugs。Rust 从中吸取了教训，不允许在程序中调用类似free()的函数手动释放内存，而是自动释放堆内存。

但 Rust 如何做到这一点？不严谨但简洁地描述：当 Rust 释放变量的 frame 时，Rust 会自动释放变量的堆内存。

我们用上面的示例代码解释 Rust 如何自动释放堆内存。在 L1 处， make_and_drop 尚未调用，此时内存中保存 main 的栈帧。执行到 L2 处，调用 make_and_drop 时，a_box 指向堆上的 5。 一旦 make_and_drop 完成，Rust 就会释放其栈帧。make_and_drop 包含变量 a_box，因此 Rust 也会释放 a_box 指向的堆内存数据。因此，堆在 L3 处为空。

变量所有权

然而，如果 Rust 只像上面这样做，可能会导致一些额外的问题。如下，两个变量同时绑定到一块堆内存。当程序执行到 L1 处时，main 栈帧中拥有两个指向同一块堆内存 Box::new([0; 1_000_000]) 的变量 a 和 b。执行到 L2 处时，Rust 会释放 main 堆栈，同时自动释放栈帧中所有变量的堆内存，导致了双重释放（Double Free）问题。

fn main() {
    let a = Box::new([0; 1_000_000]);
    let b = a; 	// L1
} // L2

为了避免该问题，Rust 最终提出了所有权 (Owenership)。当 a 绑定到 Box::new([0; 1_000_000]) 时，我们说 a 拥有 (owns) 这个 box。语句 let b = a 将堆内存的所有权从 a 移动 (move) 到 b。

综上所述，Rust 自动释放堆内存的策略的精确描述为：如果一个变量拥有一个 box，当 Rust 释放变量的 frame 时，Rust 会释放 box 的堆内存。