Rust String

新学期计划选 Formal Verification 试试看，课程用 Rust，所以提前学习一下，之后就被其神奇的特性吸引，记录一下 Rust String。

Rust String

由于有所有权和借用机制，所以对于我这种外来的开发者，似乎存在了4种字符串的定义方式，为了理解这些东西，首先从最基础的let s1 = String::from("hello"); 开始讨论。

String，栈与堆

当我们使用let s1 = String::from("hello");来定义一个字符串的时候，实际上这里在内部字符串定义的结构为：

• 栈上：s1是一个String的结构，其包含了三个部分的元数据：
  • 指针 ptr：指向堆上世纪分配的字符串数据。
  • 长度 len：表示当前字符串的支付数量，这里是5。
  • 容量 capacity：表示分配的堆内存中大小，有可能稍大于字符串的长度。
• 堆上，字符串 "hello" 的实际数据存储在堆上，所需的内存根据字符串长度动态分配。

那么通过let s1 = String::from("hello");就是定义了一个不可变的String，所以下面的程序是错误的:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let mut s2 = &s1;
    println!("{}", s2);
    s2.push_str(", world");
    println!("{}", s2);
}

会报错：

s2.push_str(", world");
^^ s2 is a & reference, so the data it refers to cannot be borrowed as mutable

这里创建了一个String后，所有权归属s1，之后尝试s2借用s1，这里是一个不可变借用，所以实际上mut这里是没有意义的，因为s1是不变的。那么自然的后面就不能使用s2.push_str(", world");这种方法。那么自然而然的我们就想到了另一种定义方法：let mut s1 = String::from("hello"); 这种情况下，结合可变借用，就可以实现我们想要的效果。

注意这里使用的是借用，而不是移动将一个变量的所有权转移到另一个变量，所以我们可以这也写:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let mut s2 = s1;
    s2.push_str(" world");
    println!("{}", s2);
}

在这种情况下，s1 的所有权被移动到 s2。在 Rust 中，String 类型实现了 Drop 特征，这意味着一旦一个变量拥有一个 String 的所有权，该变量就会负责在超出其作用域时释放该内存。由于 s1 的所有权被转移，s1 之后不再有效，因此不能再使用 s1。同时这里我们声明 s2 时使用了 mut，这意味着 s2 是可变的，我们可以对其内容进行修改。mut修饰的其实是这个变量（s1, s2, ...）这些变量的可变性，包括变量的指针或引用。

&str，字符串字面值

let s1 = String::from("hello");这似乎有些奇怪的写法，如果我们是一个Python开发者，我们常见的写法是let s1="hello"来定义一个字符串，这时候如果使用IDE，会提示我们这是一个&str类型的变量。接下来，我们可能很自然的想写s1.pust_str(" world");，之后运行，我们会发现报错：

s1.pust_str(" world");
^^^^^^^^ method not found in &str

其实变量s1绑定到了一个字符串字面值，这个字符串值是硬编码进程序代码中的。但是我们还不死心，接下来我们可能很自然的认为那我们让s1可变就可以了，于是用let mut s1 = "hello";定义，但是依然报相同的错误。那么这个mut有任何意义吗？

实际上还是有意义的，如果我们不使用mut，编写下面的程序:

fn main() {
    let s1 = "hello";
    s1 = "world";
    println!("{}", s1);
}

我们尝试给s1赋另一个值，但是会报错：

let s1 = "hello";
    -- first assignment to s1
s1 = "world";
^^^^^^^^^^^^ cannot assign twice to immutable variable
help: consider making this binding mutable
let mut s1 = "hello";
    +++

所以，mut还是有意义的，在了解了这些之后，我们突然发现可以写一写很神奇的程序：

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    println!("{}", s1);
    let s2 = s1.as_str();
    let mut s3 = s2.to_string();
    println!("{}", s2);
    s3.push_str(", world!");
    println!("{}", s3);
    let mut s4 = s1.to_string();
    s4.push('!');
    println!("{}", s4);
}

这是一个合法的程序，最后s1依旧是可以用的，说明s1的所有权没有被转移，我预期内部应该是分配了新的存储空间。