🦀 Rust

الملكية في Rust

Ownership в Rust: как работает управление памятью без GC

Ownership — самая важная концепция Rust. Именно она позволяет быть быстрым (как C) и безопасным (как Java) одновременно. С правильными аналогиями это не сложно!

Аналогия: ключ от квартиры

  1. Ключ есть только у одного — это владелец.
  2. Отдал ключ другу — у тебя его больше нет. Это move (перемещение).
  3. Дал посмотреть, не отдавая — это borrow (заимствование, ссылка).
  4. Хозяин ушёл — квартира закрывается. Память освобождается автоматически.

Три правила Ownership

  1. У каждого значения есть один владелец.
  2. Владелец только один одновременно.
  3. Когда владелец выходит из области видимости — значение удаляется.
fn main() {
    let s1 = String::from("привет");  // s1 владелец

    // MOVE: s1 ПЕРЕДАЁТ владение s2
    let s2 = s1;

    // println!("{}", s1);  // ОШИБКА! s1 больше не владелец
    // error[E0382]: borrow of moved value

    println!("{}", s2);  // OK

    // Простые типы — копируются, не перемещаются!
    let x = 5;
    let y = x;   // x КОПИРУЕТСЯ (trait Copy)
    println!("x={}, y={}", x, y);  // оба доступны
}

Ownership и функции

fn takes_ownership(s: String) {
    println!("Получил: {}", s);
}  // s удаляется

fn makes_copy(x: i32) {
    println!("Копия: {}", x);
}  // оригинал не тронут

fn gives_back() -> String {
    let s = String::from("привет");
    s  // передаём владение вызывающему
}

fn main() {
    let s1 = gives_back();
    takes_ownership(s1);     // s1 перемещается в функцию
    // println!("{}", s1);  // ОШИБКА!

    let x = 5;
    makes_copy(x);
    println!("{}", x);  // OK — i32 копируется
}

References — заимствование без передачи владения

Аналогия: Показываешь другу фотографию кошки — он смотрит, но не забирает.

fn length(s: &String) -> usize {
    s.len()   // используем без владения
}  // s — ссылка, данные НЕ удаляются

fn main() {
    let s1 = String::from("привет");
    let len = length(&s1);   // передаём ссылку
    println!("'{}' = {} символов", s1, len);  // s1 жива!

    // Срез строки
    let sentence = String::from("hello world");
    let hello = &sentence[0..5];   // "hello"
    let world = &sentence[6..11];  // "world"
    println!("{} {}", hello, world);
}

Изменяемые ссылки &mut

fn append(s: &mut String) {
    s.push_str(", мир!");
}

fn main() {
    let mut s = String::from("Привет");
    append(&mut s);
    println!("{}", s);  // Привет, мир!

    // ГЛАВНОЕ ПРАВИЛО:
    // Либо ОДИН &mut, либо много &
    // Но НИКОГДА одновременно &mut и &!

    let r1 = &s;
    let r2 = &s;
    println!("{} и {}", r1, r2);  // OK — два &

    // r1, r2 больше не используются
    let r3 = &mut s;   // OK
    r3.push_str(" Rust!");
    println!("{}", r3);
}

Почему это правило существует?

Двое одновременно читают и пишут один документ: один видит «кошка», другой меняет на «собака» — несоответствие. Это состояние гонки (data race). Rust запрещает это физически на уровне компилятора!

Clone — явное копирование

fn main() {
    let s1 = String::from("привет");
    let s2 = s1.clone();   // явное ГЛУБОКОЕ копирование

    println!("s1={}, s2={}", s1, s2);  // оба работают!
    // clone() дорогая — поэтому явная, не скрытая

    // Типы с trait Copy — копируются автоматически:
    // i32, u32, f64, bool, char, (T1, T2) если T1,T2: Copy
    let x: i32 = 5;
    let y = x;  // копируется, не перемещается
    println!("x={}, y={}", x, y);
}

Висячие ссылки — Rust не допустит!

// fn dangle() -> &String {
//     let s = String::from("привет");
//     &s   // s удаляется! Висячая ссылка!
// }  // error: missing lifetime specifier

// Правильно — передавать владение:
fn no_dangle() -> String {
    let s = String::from("привет");
    s  // OK!
}

fn main() {
    let s = no_dangle();
    println!("{}", s);
}

Lifetimes — кратко

// 'a — параметр lifetime (живёт не дольше чем x и y)
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

fn first_word(s: &str) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();
    for (i, &b) in bytes.iter().enumerate() {
        if b == b' ' { return &s[0..i]; }
    }
    &s[..]
}

fn main() {
    let s1 = String::from("длинная строка");
    let s2 = String::from("xyz");
    let r = longest(s1.as_str(), s2.as_str());
    println!("Длиннее: {}", r);

    let s = "Привет мир Rust";
    println!("Первое слово: {}", first_word(s));
}

Практика: работа со строками

fn word_count(text: &str) -> usize {
    text.split_whitespace().count()
}

fn longest_word<'a>(text: &'a str) -> &'a str {
    text.split_whitespace()
        .max_by_key(|w| w.len())
        .unwrap_or("")
}

fn main() {
    let text = "Rust — самый безопасный язык программирования";
    println!("Слов: {}", word_count(text));
    println!("Длиннейшее: {}", longest_word(text));

    let mut s = String::new();
    s.push_str("Жили-были ");
    s.push_str("три медведя.");
    println!("{}", s);
    println!("{}", s.to_uppercase());
    println!("Оригинал: {}", s);  // s не перемещалась!
}

Типичные ошибки

❌ Использование после move

let s2 = s1;
println!("{}", s1);  // error: borrow of moved value
// Исправление: let s2 = s1.clone();

❌ Два &mut одновременно

let r1 = &mut s;
let r2 = &mut s;  // error: cannot borrow as mutable more than once

Итого

Три правила: один владелец, один одновременно, удаление при выходе из scope.

&T — неизменяемая ссылка. &mut T — изменяемая. Правило: либо один &mut, либо много &.

Move vs Copy: String/Vec — перемещаются. i32/f64/bool/char — копируются. .clone() — явное глубокое копирование.

Дополнительные примеры для практики

Программирование — это навык, который улучшается только с практикой. Вот несколько задач для самостоятельной работы:

Задача 1: Числовые паттерны

fn main() {
    // Выведи пирамиду из звёздочек
    for i in 1..=5 {
        for _ in 0..i { print!("* "); }
        println!();
    }

    // Числа Фибоначчи итеративно (быстрее рекурсии)
    let mut a = 0u64;
    let mut b = 1u64;
    print!("Фибоначчи: ");
    for _ in 0..15 {
        print!("{} ", a);
        let c = a + b;
        a = b;
        b = c;
    }
    println!();

    // Простые числа через решето Эратосфена
    let n = 50usize;
    let mut is_prime = vec![true; n + 1];
    is_prime[0] = false;
    is_prime[1] = false;
    let mut i = 2;
    while i * i <= n {
        if is_prime[i] {
            let mut j = i * i;
            while j <= n {
                is_prime[j] = false;
                j += i;
            }
        }
        i += 1;
    }
    print!("Простые до {}: ", n);
    for k in 2..=n {
        if is_prime[k] { print!("{} ", k); }
    }
    println!();
}

Задача 2: Работа с данными

fn main() {
    let data = vec![
        ("Алиса", 85.0f64),
        ("Боря",  72.0),
        ("Вера",  91.0),
        ("Гриша", 68.0),
        ("Даша",  95.0),
    ];

    // Сортировка по убыванию
    let mut sorted = data.clone();
    sorted.sort_by(|a, b| b.1.partial_cmp(&a.1).unwrap());

    println!("Топ учеников:");
    for (i, (name, score)) in sorted.iter().enumerate() {
        let medal = match i { 0 => "🥇", 1 => "🥈", 2 => "🥉", _ => "  " };
        println!("{} {} — {:.1}", medal, name, score);
    }

    let avg = data.iter().map(|(_, s)| s).sum::() / data.len() as f64;
    let above: Vec<_> = data.iter().filter(|(_, s)| *s > avg).collect();

    println!("
Средний балл: {:.2}", avg);
    println!("Выше среднего: {}", above.len());
}

Разбор типичных задач

// Палиндром
fn is_palindrome(s: &str) -> bool {
    let chars: Vec = s.chars().collect();
    let n = chars.len();
    for i in 0..n/2 {
        if chars[i] != chars[n-1-i] { return false; }
    }
    true
}

// FizzBuzz
fn fizzbuzz(n: u32) -> String {
    match (n % 3, n % 5) {
        (0, 0) => "FizzBuzz".to_string(),
        (0, _) => "Fizz".to_string(),
        (_, 0) => "Buzz".to_string(),
        _      => n.to_string(),
    }
}

// Подсчёт слов в тексте
fn word_frequencies(text: &str) -> std::collections::HashMap<&str, usize> {
    let mut freq = std::collections::HashMap::new();
    for word in text.split_whitespace() {
        *freq.entry(word).or_insert(0) += 1;
    }
    freq
}

fn main() {
    println!("'racecar' палиндром? {}", is_palindrome("racecar"));
    println!("'hello' палиндром? {}", is_palindrome("hello"));

    for n in 1..=20 { print!("{} ", fizzbuzz(n)); }
    println!();

    let text = "rust rust код код код программирование";
    let freq = word_frequencies(text);
    let mut pairs: Vec<_> = freq.iter().collect();
    pairs.sort_by(|a, b| b.1.cmp(a.1));
    for (word, count) in pairs {
        println!("'{}': {}", word, count);
    }
}

Дополнительные примеры и упражнения

Работа с коллекциями

use std::collections::HashMap;
use std::collections::HashSet;
use std::collections::VecDeque;

fn main() {
    // HashMap — ассоциативный массив
    let mut scores: HashMap> = HashMap::new();
    
    scores.entry("Алиса".to_string()).or_insert_with(Vec::new).push(5);
    scores.entry("Алиса".to_string()).or_insert_with(Vec::new).push(4);
    scores.entry("Боря".to_string()).or_insert_with(Vec::new).push(3);
    scores.entry("Боря".to_string()).or_insert_with(Vec::new).push(4);
    
    for (name, grades) in &scores {
        let avg: f64 = grades.iter().sum::() as f64 / grades.len() as f64;
        println!("{}: avg={:.2} grades={:?}", name, avg, grades);
    }
    
    // HashSet — уникальные значения
    let mut seen: HashSet = HashSet::new();
    let data = vec![1, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4];
    let mut unique = Vec::new();
    for &n in &data {
        if seen.insert(n) {
            unique.push(n);
        }
    }
    println!("Уникальные: {:?}", unique);
    
    // Пересечение и объединение множеств
    let set_a: HashSet<_> = [1, 2, 3, 4, 5].iter().collect();
    let set_b: HashSet<_> = [3, 4, 5, 6, 7].iter().collect();
    
    let intersection: Vec<_> = set_a.intersection(&set_b).collect();
    let union: Vec<_> = set_a.union(&set_b).collect();
    println!("Пересечение: {:?}", intersection);
    println!("Объединение: {:?}", union);
    
    // VecDeque — двусторонняя очередь
    let mut queue: VecDeque = VecDeque::new();
    queue.push_back(1);
    queue.push_back(2);
    queue.push_back(3);
    queue.push_front(0);
    println!("Очередь: {:?}", queue);
    println!("Извлекли спереди: {:?}", queue.pop_front());
}

Обработка ошибок и ? оператор

use std::num::ParseIntError;
use std::fmt;

#[derive(Debug)]
enum AppError {
    ParseError(ParseIntError),
    ValidationError(String),
    NotFound(String),
}

impl fmt::Display for AppError {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        match self {
            AppError::ParseError(e)       => write!(f, "Ошибка парсинга: {}", e),
            AppError::ValidationError(msg) => write!(f, "Ошибка валидации: {}", msg),
            AppError::NotFound(key)       => write!(f, "Не найдено: {}", key),
        }
    }
}

impl From for AppError {
    fn from(e: ParseIntError) -> Self { AppError::ParseError(e) }
}

fn parse_positive(s: &str) -> Result {
    let n: i32 = s.trim().parse()?;    // ? преобразует ParseIntError через From
    if n <= 0 {
        return Err(AppError::ValidationError(format!("{} не положительное", n)));
    }
    Ok(n as u32)
}

fn find_square_root(n: &str) -> Result {
    let num = parse_positive(n)?;
    Ok((num as f64).sqrt())
}

fn main() {
    let inputs = ["25", "-5", "abc", "100", "0"];
    for input in inputs {
        match find_square_root(input) {
            Ok(r)  => println!("√{} = {:.4}", input, r),
            Err(e) => println!("Ошибка для '{}': {}", input, e),
        }
    }
}

Итераторы — ленивые вычисления

fn main() {
    let numbers = vec![1i32, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
    
    // Цепочка итераторов — ленивая, выполняется при collect/sum/etc
    let result: Vec = numbers.iter()
        .filter(|&&n| n % 2 == 0)       // только чётные: 2,4,6,8,10
        .map(|&n| n * n)                 // квадраты: 4,16,36,64,100
        .filter(|&n| n > 20)             // > 20: 36,64,100
        .map(|n| format!("{}²", (n as f64).sqrt() as i32)) // "6²", "8²", "10²"
        .collect();
    
    println!("{:?}", result);
    
    // zip — объединяем два итератора
    let names = vec!["Алиса", "Боря", "Вера"];
    let grades = vec![4.8, 3.9, 4.5];
    let combined: Vec<_> = names.iter().zip(grades.iter()).collect();
    for (name, grade) in &combined {
        println!("{}: {:.1}", name, grade);
    }
    
    // enumerate + zip
    let numbered: Vec<_> = names.iter()
        .zip(grades.iter())
        .enumerate()
        .map(|(i, (n, g))| format!("{}. {}: {}", i+1, n, g))
        .collect();
    println!("{:?}", numbered);
    
    // scan — промежуточные результаты (как fold, но возвращает итератор)
    let running_sum: Vec = (1..=5)
        .scan(0, |acc, x| { *acc += x; Some(*acc) })
        .collect();
    println!("Нарастающая сумма: {:?}", running_sum);  // [1, 3, 6, 10, 15]
    
    // flat_map — flatten + map
    let words = vec!["hello world", "foo bar baz"];
    let all_words: Vec<&str> = words.iter()
        .flat_map(|s| s.split_whitespace())
        .collect();
    println!("{:?}", all_words);
    
    // take и skip
    let first_5: Vec = (1..).take(5).collect();
    let skip_5: Vec = (1..=10).skip(5).collect();
    println!("take(5): {:?}", first_5);
    println!("skip(5): {:?}", skip_5);
}

Полный проект: студенческая база данных

use std::collections::HashMap;

#[derive(Debug, Clone)]
struct Student {
    name: String,
    class: String,
    grades: HashMap,
}

impl Student {
    fn new(name: &str, class: &str) -> Self {
        Student {
            name: name.to_string(),
            class: class.to_string(),
            grades: HashMap::new(),
        }
    }

    fn add_grade(&mut self, subject: &str, grade: f64) {
        self.grades.insert(subject.to_string(), grade);
    }

    fn gpa(&self) -> f64 {
        if self.grades.is_empty() { return 0.0; }
        self.grades.values().sum::() / self.grades.len() as f64
    }

    fn is_excellent(&self) -> bool {
        self.gpa() >= 4.5 && self.grades.values().all(|&g| g >= 4.0)
    }
}

struct Database {
    students: Vec,
}

impl Database {
    fn new() -> Self { Database { students: Vec::new() } }
    fn add(&mut self, student: Student) { self.students.push(student); }
    
    fn by_class(&self, class: &str) -> Vec<&Student> {
        self.students.iter().filter(|s| s.class == class).collect()
    }
    
    fn top_students(&self, n: usize) -> Vec<&Student> {
        let mut sorted: Vec<&Student> = self.students.iter().collect();
        sorted.sort_by(|a, b| b.gpa().partial_cmp(&a.gpa()).unwrap());
        sorted.into_iter().take(n).collect()
    }
    
    fn class_average(&self, class: &str) -> f64 {
        let class_students: Vec<_> = self.by_class(class);
        if class_students.is_empty() { return 0.0; }
        class_students.iter().map(|s| s.gpa()).sum::() / class_students.len() as f64
    }
}

fn main() {
    let mut db = Database::new();
    
    let mut alice = Student::new("Алиса", "6А");
    alice.add_grade("Математика", 5.0);
    alice.add_grade("Русский", 5.0);
    alice.add_grade("Английский", 4.0);
    
    let mut bob = Student::new("Боря", "6Б");
    bob.add_grade("Математика", 4.0);
    bob.add_grade("Русский", 3.0);
    bob.add_grade("Английский", 4.0);
    
    let mut vera = Student::new("Вера", "6А");
    vera.add_grade("Математика", 5.0);
    vera.add_grade("Русский", 5.0);
    vera.add_grade("Английский", 5.0);
    
    db.add(alice);
    db.add(bob);
    db.add(vera);
    
    println!("=== Класс 6А ===");
    for s in db.by_class("6А") {
        println!("{}: GPA={:.2} Отличник?{}", s.name, s.gpa(), s.is_excellent());
    }
    
    println!("\n=== Топ 2 студента ===");
    for s in db.top_students(2) {
        println!("{} ({}): {:.2}", s.name, s.class, s.gpa());
    }
    
    println!("\nСредний 6А: {:.2}", db.class_average("6А"));
    println!("Средний 6Б: {:.2}", db.class_average("6Б"));
}

Советы для дальнейшего обучения

  • The Rust Book — официальная книга, доступна на doc.rust-lang.org/book
  • Rustlings — интерактивные упражнения: cargo install rustlings
  • Rust by Example — примеры кода: doc.rust-lang.org/rust-by-example
  • Exercism.io — задачи с ментором по треку Rust
  • Crates.io — репозиторий пакетов для Rust
← السابق الدوال في Rust التالي → الهياكل والسمات في Rust