为啥str主要存在于其借来的？ [复制]

Posted 2023-03-11

【中文标题】为啥str主要存在于其借来的？ [复制]

【英文标题】：Why does str primarily exist in it's borrowed form? [duplicate]为什么str主要存在于其借来的？ [复制]

【发布时间】：2020-07-25 05:10:22

【问题描述】：

str 类型是这样使用的：

let hello = "Hello, world!";

// with an explicit type annotation
let hello: &'static str = "Hello, world!";

let hello: str = "Hello, world!"; 导致expected `str`, found `&str`

为什么文本的默认类型不只是 str 与所有原始类型、向量和 String 不同？为什么是参考？

【问题讨论】：

&str 表示它是一个引用（AKA 指针）。典型的编译器会将所有字符串常量（多个字节）放入二进制文件中，传递的只是指向该数据的指针。这与 C 中的情况相同，您通常没有 char[32] 而是将 char* 作为变量的类型。

我没有任何官方来源，但我认为这可能是因为str 是唯一没有实现Copy 的原语。因此，对于整数类型，bool 等，让它们成为引用或拥有生命周期根本没有意义，因为它们可以通过从可执行文件中复制而归上下文所有，而不会出现运行时问题。但是str 的情况并非如此，因为克隆它并不便宜，您几乎总是希望引用它或使其成为可以正确修改的完整字符串。

@MatthiasWimmer 谢谢，你能解释一下“在二进制文件中”是什么意思吗？不是机器级别的所有代码都是二进制的吗？

@msrd0 还有其他原语没有实现Copy，包括slices 和mutable references，以及arrays 和tuples，如果它们的元素没有实现它.

@Frxstrem 好吧，引用已经是一种引用，但我同意这同样适用于数组和元组，而不仅仅是字符串

【参考方案1】：

字符串和切片只能通过引用访问的设计决策有很多优点：

字符串可以有任意长度。所以str 类型的变量不容易在堆栈上管理，而&str 仅具有堆栈上指针的大小（而可变长度数据驻留在堆上）。请注意，所有其他原始类型都有固定长度，每个引用都有固定长度（不是它指向的数据）和每个结构（它是一个组合）。 &str 是一个不可变的引用。如果您可以定义str 类型的变量，则必须将语义赋予let mut s: str = "str";。堆栈上的不可变字符串很难管理，可以附加的字符串更难管理。 拥有str 意味着每一步都必须复制所有字符，这会降低性能。只是复制引用并在堆上保持引用数据不变更便宜。这并不是真正的零成本抽象。 str 不是唯一仅作为引用出现的类型 &str（同样适用于切片，如 &[i8]），因此对字符串处理的更改会使其他行为变得奇怪（或者必须相应地更改）。 让我们假设一个函数可以管理str 类型的变量。现在你想从这个函数返回一个&str。这是行不通的，因为引用最多只存在于它指向的值（尝试使用任何原始类型）。由于str 是一个本地创建的值，因此它不能超过该函数的寿命。字符串文字始终是对静态字符串的引用的便利解决了这个问题。这意味着您必须编写额外的代码来将您拥有的str 放入一个静态变量中，这样您就可以返回&str。而且由于静态引用是我需要的默认行为，因此我可以用很少的开销编写它非常方便。

【讨论】：

首先，非常感谢您的回复。关于您的第一点，这与 String 有何不同？那有你在拥有时提到的财产。关于第3点，我很困惑为什么会这样？ str 是否正常拥有，然后传递对它的引用 qouldnt cipy 事情对吗？

1. String 确实具有str 的大部分属性。然而，这并不是零成本。如果您需要可变性或所有权，您可以付费使用它，但您也可以使用&str 而不使用它。 3. 移动一个引用（例如&str) means copying a pointer (sometimes the compiler can even omit this). Yet if you keep a hypothetic str` 在堆栈上你将不得不移动/复制值（所有字节）。当然你可以引用这个值 - 但是你的类型是&str。我会添加另一点。

String 实际上更像&str 而不是str。 String 包含指向其字符串数据的指针，因此移动它很便宜。此外，它具有固定大小，例如&str。 String 和 &str 之间的唯一区别是 String 拥有其数据，并且您可以在 String 中添加/删除字符。

我不确定如何最好地将其放入您的答案中，但 &str 并不总是指代堆。它可能在文本段（字符串文字）或堆栈中（例如，[u8; N] 数组转换为 str）。

【参考方案2】：

我会尝试给出不同的观点。在 Rust 中，有一个通用约定：如果您有某种类型的变量 T，则意味着您拥有与 T 关联的数据。如果你有一个&T 类型的变量，那么你不拥有数据。

现在让我们考虑一个堆分配的字符串。根据这个约定，应该有一个代表分配所有权的非引用类型。确实存在这样的类型：String。

还有一种不同的字符串：&'static str。这些字符串不属于任何人：只有一个字符串实例被放置在编译的二进制文件中，并且只有指针被传递。没有分配也没有解除分配，因此没有所有权。从某种意义上说，静态字符串归编译器所有，而不是程序员所有。这就是为什么String不能用来表示静态字符串的原因。

好吧，那为什么不用&String 来表示一个静态字符串呢？想象一个世界，下面的代码是一个有效的 Rust：

let s: &'static String = "hello, world!";

这可能看起来不错，但在实现方面，这是次优的：

String 本身有一个指向实际数据的指针，所以 &String 基本上必须是一个指向指针的指针。这违反了零成本抽象原则：为什么我们要引入过多的间接级别，而实际上编译器静态知道"hello, world!" 的地址？

即使编译器以某种方式足够聪明地决定这里不需要过多的指针（这会导致一堆其他问题），String 本身仍然包含三个 8 字节字段：

数据指针； 数据长度； 分配容量 - 让我们知道数据后还有多少可用空间。

然而，当我们谈论静态字符串时，容量是零意义的：静态字符串是只读的。

所以，最后，当编译器看到&'static String时，我们实际上希望它只存储一个数据指针和长度——否则，我们正在为我们永远不会使用的东西付费，这违反了零成本抽象原则.这看起来像是我们想要从编译器获得的神秘魔法：变量类型是 &String，但变量本身不是对 String 的引用。

为了完成这项工作，我们实际上需要一个不同的类型，而不是&String，它只保存一个数据指针和长度。这里是：&str！它在很多方面都优于&String：

没有过多的间接级别 - 只有一个指针； 不存储容量，这在许多情况下毫无意义； 没有黑魔法：我们将str 定义为可变大小的类型（数据本身），因此&str 只是对数据的引用。

现在您可能想知道：为什么不介绍str 而不是&str？请记住约定：拥有str 意味着您拥有数据，而您并不拥有。因此&str。