02-所有权系统的计算机科学基础

所有权系统的计算机科学基础

原理

Rust 所有权根植于线性逻辑中 affine 类型理论。在线性逻辑中，命题是”资源”，恰好使用一次。Rust 将约束放宽为”最多一次”：每个非 Copy 值恰好被消耗（move）或销毁（drop）一次。

形式化推导规则：
$\frac{\Gamma ⊢e_1:T\Gamma ,x:T⊢e_2:U}{\Gamma ⊢\text{let }x=e_1;e_2:U}$

Move 语义在机器码层面仅为 memcpy（栈上 24B 的 ptr+len+cap），原变量位置被编译器标记为”已移动”，后续使用触发静态错误。Drop 插入位置由 MIR 的 drop elaboration pass 确定——在所有者离开作用域的每条控制流路径上自动插入 drop(x) 调用。

对比：

语言	释放方式	运行时开销	双释放风险
C	手动 free()	零	高
C++	RAII / unique_ptr	零	中
Java/Go	GC trace	高	零
Rust	编译期 drop 插入	零	零

编译器确定 drop 位置的算法基于支配树：找到所有者不再存活的程序点（后支配边界），插入释放。

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语法

所有权转移的核心规则

let s1 = String::from("hello");
let s2 = s1;                    // move: s1 失效
// println!("{}", s1);          // 编译错误
 
let x = 5;
let y = x;                      // Copy: x 仍有效

Drop 与作用域

{
    let s = String::from("hi"); // s 获得所有权
    println!("{}", s);           // s 使用中
}                                // s.drop() 在此插入
 
fn consume(s: String) { }       // 参数接收所有权，结束时 drop

所有权图

$$\text{所有者}\stackrel{\text{move}}{\to }\text{新所有者}\stackrel{\text{scope ends}}{\to }\text{drop}$$

非词法生命周期（NLL）

let mut s = String::from("hi");
let r1 = &s;
println!("{}", r1);  // r1 最后使用
let r2 = &mut s;     // OK: r1 在此前已"死亡"（NLL）

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实践

力扣问题

力扣: 力扣大数运算题 — 大数所有权传递

fn multiply(a: Vec<u32>, b: Vec<u32>) -> Vec<u32> {
    // a 和 b 的所有权移入，返回新 Vec
    let mut result = vec![0; a.len() + b.len()];
    result
}

AI 自检

1. 线性类型与 affine 类型的区别？Rust 为何选择 affine（最多一次）而非线性（恰好一次）？
2. 编译器在什么编译阶段（HIR/MIR/LLVM IR）决定 drop 插入的位置？支配树的作用？