Ch4：所有權避坑指南與智慧指標 — 記憶體權力的分配

Feb 26, 2026 · Sean Sie

所有權的隱藏陷阱

大家都知道 = 會轉移所有權，但 Rust 的「Move 語義」有時候比你想像中更積極。以下是幾個最常掉進去的「秘密轉移」現場：

Match 匹配：一旦變體被解構，所有權就移進去了。

  let opt = Some(String::from("Rust"));  
  match opt {  
      Some(s) => println!("{}", s), // s 拿走了所有權！  
      None => (),  
  }  
  // println!("{:?}", opt); // ❌ 這裡會報錯，因為 opt 內部的 String 已經被搬走了

💡 救命招式： 使用 ref 關鍵字（或現代 Rust 的「模式匹配人體工學」），在 match 時只借用而不轉移。

For 迴圈的隱藏行為：
for x in vector 其實是呼叫了 into_iter()。這意味著你的 vector 在迴圈跑完的第一秒就「原地去世」了。
- for x in vector：消耗掉整個 vector (Move)。
- for x in &vector：唯讀借用 (Iter)。
- for x in &mut vector：可變借用 (IterMut)。
容器移入：
v.push(string)。一旦你把東西推入 Vec、HashMap 或任何容器，它就不再屬於當前的變數了。它現在歸容器管，容器掛掉，它就掛掉。

⚡ 碰巧蒙中：Copy Trait

為什麼有的整數轉移沒事？因為它們實作了 Copy。

判斷標準：

Heap 資料（如 String, Vec）：一律轉移 (Move)。因為搬動 Heap 代價太大，乾脆換個主人最快。
Stack 資料（如 i32, f64, bool, char）：一律複製 (Copy)。資料太小了，搬家比改名還快。

⚠️ 注意：如果你定義了一個結構體，即使裡面全是 i32，它預設也不會 Copy！你必須手動加上 #[derive(Copy, Clone)] 才能開啟這個外掛。

NLL 與生命週期：編譯器的「續命」與「死期」

1. NLL (Non-Lexical Lifetimes)

以前 Rust 很呆，變數生命週期必須嚴格遵守「大括號」結束。現在它會分析你「最後一次使用」是在哪裡。

let mut s = String::from("hello");  
let r1 = &s;   
println!("{}", r1); // r1 最後一次使用  
// r1 在這裡就「神隱」了，雖然還沒到大括號結尾  
let r2 = &mut s; // ✅ 成功！因為編譯器知道 r1 已經沒事了

2. 生命週期 (Lifetimes) ‘a：證明你活得夠久

這是新手最常崩潰的地方。記住口訣：生命週期不是用來「延長」壽命的，它是用來「證明」壽命的。

⚡ 經典慘案：為什麼需要生命週期？

// ❌ 報錯！編譯器問：你回傳的引用到底跟誰？x 還是 y？  
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {  
    if x.len() > y.len() { x } else { y }  
}

編譯器的小劇場：如果你傳入一個活 10 秒的 x 跟活 1 秒的 y，結果回傳了 y 的引用，但呼叫者以為它能活 10 秒，那 1 秒後程式就爆炸了（懸空指標）。

解決方案：

// ✅ 加上標記：回傳的引用壽命，等於 x 跟 y 當中「活得比較短」的那個  
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {  
    if x.len() > y.len() { x } else { y }  
}

⚡ 結構體生命週期：我不准你比我早死

如果結構體裡面存了「引用」，你必須向編譯器發誓：被借用的東西沒還之前，結構體絕對不准死。

struct Book<'a> {  
    title: &'a str, // 這個 title 只是借來的  
}

fn main() {  
    let title = String::from("Rust 修煉手冊");  
    let book = Book { title: &title };  
    drop(title); // ❌ 慘案！被借用的 title 被銷毀了  
    // println!("{}", book.title); // 如果這裡能過，book 就拿著一個死掉的地址  
}

3. ‘static：終極不死身

'static 是 Rust 中最強大的生命週期，代表「這東西從程式開門到關門都會一直活著」。

⚡ 例子 A：字串字面量

所有的字串字面量（String Literals）預設都是 'static。

let s: &'static str = "我活在執行檔的二進位資料裡，永遠不死。";

⚡ 例子 B：Trait Bound 限定

有時候你會看到 T: 'static，這不代表資料一定要活永遠，而是代表「這個型別不准持有任何借來的引用」（除非引用本身是 'static）。

fn print_anything<T: std::fmt::Display + 'static>(t: T) {  
    println!("{}", t);  
}

fn main() {  
    let x = 5; // x 沒借別人，它是自擁有的 (owned)，符合 'static 約束  
    print_anything(x);   
      
    let s = String::from("hi");  
    let r = &s;  
    // print_anything(r); // ❌ 報錯！r 是一個借來的引用，活不過 s，不符合 'static  
}

智慧指標：這傢伙不是普通的指標

普通引用 & 只是借用，智慧指標則是「帶有超能力的所有者」。它們透過 Deref 與 Drop 這兩個 Trait 實作了黑魔法。

1. Deref Trait：隱形斗篷

為什麼 Box<T> 用起來像 &T？為什麼 String 可以直接傳進接受 &str 的函數？

魔法來源：Deref。它讓智慧指標在被呼叫時，自動解開包裝，露出裡面的本體。
自動轉換：&String -> &str，&Vec<T> -> &[T]，這叫 Deref 強制轉換。

2. Drop Trait：善後清理組

Rust 沒有垃圾回收（GC），那是誰幫你關檔案、釋放記憶體？

魔法來源：Drop。當變數離開作用域時，Rust 會自動呼叫 drop() 方法。
手動退場：如果你想提早結束某個變數的壽命，請用全域函數 drop(x)。

智慧指標家族成員

1. Box：封裝在 Heap

這是最基本的智慧指標。它把資料 from Stack 踢到 Heap 上。

用途 A：避免超大物件搬運。搬 100MB 的資料很慢，搬指標只要 8 bytes。
用途 B：遞迴結構。比如你要寫一個資料夾樹或 Linked List。

  enum List {  
      Cons(i32, Box<List>), // 沒有 Box，編譯器不知道這物件到底有多大  
      Nil,  
  }

2. Rc 與 Arc：多重所有權

當你需要「一個物件有多個主人」時（例如圖形結構中多個節點指向同一個子節點）。

Rc (Reference Counting)：單執行緒專用。每多一個人持有一份，計數就 +1；沒人持有就銷毀。
Arc (Atomic Rc)：多執行緒版本的 Rc。計數器是原子的，安全但開銷稍大。

3. RefCell：內部可變性

這是 Rust 的「後門」。它讓你在擁有「不可變引用」的情況下，依然能修改裡面的資料。

代價：把借用檢查從「編譯期」延後到「執行期」。如果你同時借用了兩個 &mut，程式會直接 panic 噴在你臉上。

併發交通管制：Mutex 與 RwLock

在多執行緒環境下，我們不僅要共享所有權（Arc），還要確保修改時不會打架：

Mutex (互斥鎖)：一次只能一個人存取。拿不到鎖的人會在那裡乖乖排隊。
- 中毒 (Poisoning)：如果持鎖的執行緒崩潰了，鎖會變「中毒」，下一個進去會拿到 Err，迫使你處理殘局。
RwLock (讀寫鎖)：讀寫分離。多人同時看 (Read) 沒問題；一人專心改 (Write) 所有人都要迴避。

實戰黃金搭檔：Arc<Mutex<T>>。Arc 負責分身，Mutex 負責排隊。

CoW (Copy on Write)：節省大師

這是一個特殊的 Enum。它的哲學是：能不複製，就不複製。

狀態 A：借用。只要你只是看看，它就一直拿著別人的引用。
狀態 B：擁有。一旦你想修改資料，它才會在「寫入時」瞬間 Clone 一份出來。

總結

記憶體安全不代表你不能靈活運用. Rust 的所有權規則很硬，但生命週期 'a 告訴編譯器誰活得久，智慧指標則用 Deref 和 Drop 讓開發變得絲滑。記住：靜態檢查能過就過，過不了再考慮動態指標。