Rust 的所有權（Ownership）與借用（Borrowing）系統是其最核心的設計，旨在解決困擾系統程式設計數十年的記憶體安全問題，如懸空指標與資料競爭。傳統語言常依賴垃圾回收機制或手動記憶體管理，前者帶來效能開銷，後者則容易出錯。Rust 透過在編譯時期實施嚴格的規則，提供了一種零成本抽象的解決方案。本文將深入解析不可變引用（Immutable References）的運作原理，探討它如何允許多方在不犧牲安全性的前提下共享資料。我們將透過範例說明，當資料被借用時，其所有權並未轉移，原始擁有者依然保有控制權，這種設計不僅確保了程式的穩健性，更是實現高效能併發的關鍵基礎。
軟體工程師的進階修煉：從抽象化到實戰應用的全面提升
第三章：理解所有權與借用 (Understanding Ownership and Borrowing)
引用與借用 (References and Borrowing)
println!("r1: {}, r2: {}", r1, r2); // 我們可以使用 `r1` 和 `r2`
} // `r1` 和 `r2` 超出作用域，但 `s` 仍然擁有字串
在這個範例中：
- 變數
s擁有字串 “hello”。 - 變數
r1和r2是s的不可變引用。它們借用資料但沒有取得所有權。 - 你可以同時創建多個不可變引用 (
r1,r2等)，只要它們都不嘗試修改資料，程式語言就能確保這是安全的。
不轉移所有權的資料借用 (Borrowing Data Without Ownership Transfer)
借用的概念是程式語言管理資料訪問的核心。借用允許你引用一個值而不轉移所有權，這意味著原始所有者在資料被借用後仍然可以使用該值。這與移動語義不同，在移動語義中，一旦值被移動，原始所有者就會失去訪問權。
以下是程式語言中借用的運作方式：
- 所有權不轉移：原始所有者在資料被借用期間仍然保留對資料的控制權。
- 你可以有多個不可變引用：只要資料不被修改，程式碼的多個部分可以同時借用相同的資料。
讓我們擴展前面的範例並演示借用：
fn main() {
let s = String::from("Rust is awesome!"); // `s` 擁有字串
let len = calculate_length(&s); // 我們借用 `s` 而不轉移所有權
println!("'{}' 的長度是 {}.", s, len); // 借用後我們仍然可以使用 `s`
}
fn calculate_length(s: &String) -> usize { // `s` 是對 String 的不可變引用
s.len() // 我們可以訪問 `s` 的長度而無需取得所有權
}
在這個範例中：
calculate_length函數透過&s借用字串s，允許它使用資料而無需取得所有權。- 借用字串後，原始所有者 (
s) 仍然可以在main函數中使用。這是因為所有權沒有轉移，只是暫時借用。
程式語言的所有權模型確保每段資料只有一個所有者，但透過借用，你可以在不損害記憶體安全的情況下暫時共享訪問權。
在程式語言中使用引用和借用時，有幾個關鍵規則有助於維持記憶體安全：
- 你可以有多個不可變引用：只要資料是不可變的，你可以多次借用相同的資料。
- 你不能同時擁有可變和不可變引用：程式語言強制執行此規則以防止資料競爭，即程式的一個部分可能正在修改資料，而另一個部分正在讀取它。
- 引用必須始終有效：引用必須始終指向有效資料。程式語言會防止懸空引用（指向不再存在的資料）。
實用範例：函數中的借用 (Practical Example: Borrowing in Functions)
這是一個實用範例，演示了借用和不可變引用如何協同工作以安全地訪問程式語言中的資料：
fn main() {
let book = String::from("The Rust Programming Language");
// 借用書名而不轉移所有權
print_title(&book);
// 我們仍然可以在這裡使用 `book`，因為所有權沒有轉移
println!("我仍然擁有這本書: '{}'.", book);
}
fn print_title(title: &String) {
println!("書名是: {}", title);
}
在這個範例中：
print_title函數借用字串book而不取得所有權。這意味著main函數仍然保留book的所有權，即使在print_title借用它之後也可以使用它。- 借用使函數更高效，因為字串不需要被複製或移動。
多個不可變引用 (Multiple Immutable References)
在程式語言中，不可變引用 (&T) 允許你在不修改資料的情況下借用資料，確保你可以同時從程式碼的多個位置安全地讀取和訪問資料。不可變引用的主要優點之一是你可以對相同的資料擁有多個不可變引用。這允許程式碼的不同部分。
玄貓認為，不可變引用是程式語言實現安全併發和高效資料共享的基石。它在編譯時強制執行規則，消除了許多在其他語言中常見的資料競爭和記憶體錯誤，是程式語言設計哲學的典範。
@startuml
!define DISABLE_LINK
!define PLANTUML_FORMAT svg
!theme _none_
skinparam dpi auto
skinparam shadowing false
skinparam linetype ortho
skinparam roundcorner 5
skinparam defaultFontName "Microsoft JhengHei UI"
skinparam defaultFontSize 16
skinparam minClassWidth 100
package "程式語言引用與借用機制詳解" {
node "不可變引用 (`&T`) 核心概念" as ImmutableRefCore {
component "讀取資料而不取得所有權" as ReadWithoutOwnership
component "可同時存在多個不可變引用" as MultipleImmutableRefs
component "無修改資料風險" as NoDataModificationRisk
component "範例: `r1 = &s`, `r2 = &s`" as ImmutableRefExample
}
node "借用 (Borrowing) 與所有權轉移的區別" as BorrowingVsOwnershipTransfer {
component "借用不轉移所有權" as BorrowingNoOwnershipTransfer
component "原始所有者仍可使用資料" as OriginalOwnerCanStillUse
component "與移動語義的對比" as ContrastToMoveSemantics
component "範範例: `calculate_length(&s)`" as CalculateLengthExample
}
node "借用規則與記憶體安全" as BorrowingRulesMemorySafety {
component "可有多個不可變引用" as MultipleImmutableRule
component "不可同時擁有可變與不可變引用" as NoMutableAndImmutableRule
component "引用必須始終有效 (防止懸空引用)" as ReferencesAlwaysValidRule
component "防止資料競爭 (Data Races)" as PreventDataRaces
}
node "實用範例: 函數中的借用" as PracticalBorrowingInFunctions {
component "函數借用參數而不取得所有權" as FunctionBorrowsParams
component "原始變數在函數呼叫後仍有效" as OriginalValidAfterCall
component "提高效率 (無需複製或移動)" as EfficiencyGain
component "範例: `print_title(&book)`" as PrintTitleExample
}
node "多個不可變引用" as MultipleImmutableRefsConcept {
component "安全讀取與訪問資料" as SafeReadAccess
component "同時從多個位置訪問" as SimultaneousAccessFromMultiplePlaces
component "程式碼不同部分共享資料" as CodePartsShareData
}
ImmutableRefCore --> ReadWithoutOwnership
ImmutableRefCore --> MultipleImmutableRefs
ImmutableRefCore --> NoDataModificationRisk
ImmutableRefCore --> ImmutableRefExample
BorrowingVsOwnershipTransfer --> BorrowingNoOwnershipTransfer
BorrowingVsOwnershipTransfer --> OriginalOwnerCanStillUse
BorrowingVsOwnershipTransfer --> ContrastToMoveSemantics
BorrowingVsOwnershipTransfer --> CalculateLengthExample
BorrowingRulesMemorySafety --> MultipleImmutableRule
BorrowingRulesMemorySafety --> NoMutableAndImmutableRule
BorrowingRulesMemorySafety --> ReferencesAlwaysValidRule
BorrowingRulesMemorySafety --> PreventDataRaces
PracticalBorrowingInFunctions --> FunctionBorrowsParams
PracticalBorrowingInFunctions --> OriginalValidAfterCall
PracticalBorrowingInFunctions --> EfficiencyGain
PracticalBorrowingInFunctions --> PrintTitleExample
MultipleImmutableRefsConcept --> SafeReadAccess
MultipleImmutableRefsConcept --> SimultaneousAccessFromMultiplePlaces
MultipleImmutableRefsConcept --> CodePartsShareData
ImmutableRefCore -[hidden]-> BorrowingVsOwnershipTransfer
BorrowingVsOwnershipTransfer -[hidden]-> BorrowingRulesMemorySafety
BorrowingRulesMemorySafety -[hidden]-> PracticalBorrowingInFunctions
PracticalBorrowingInFunctions -[hidden]-> MultipleImmutableRefsConcept
}
@enduml看圖說話：
此圖示深入解析了程式語言的引用與借用機制。在不可變引用 (&T) 核心概念部分，它闡明了其允許讀取資料而不取得所有權，可以同時存在多個不可變引用，且無修改資料風險，並透過範例 r1 = &s, r2 = &s 具體說明。接著，借用 (Borrowing) 與所有權轉移的區別強調了借用不轉移所有權，使得原始所有者仍可使用資料，這與移動語義形成對比，並以**calculate_length(&s) 範例演示。借用規則與記憶體安全部分則列出了關鍵規則：可有多個不可變引用、不可同時擁有可變與不可變引用，且引用必須始終有效以防止懸空引用**，這些共同防止了資料競爭。實用範例：函數中的借用展示了函數如何借用參數而不取得所有權，使得原始變數在函數呼叫後仍有效，從而提高效率。最後，多個不可變引用的概念再次被強調，說明其如何實現安全讀取與訪問資料，允許同時從多個位置訪問，並讓程式碼不同部分共享資料。這些機制共同構成了程式語言高效且安全的資料共享基礎。
結論
深入剖析「引用與借用」這項核心修煉後，我們看見的不僅是記憶體管理的技術，更是一種思維框架的轉變。它迫使開發者從傳統指標操作的自由與風險，轉向對資料生命週期的嚴謹預判。初期的學習曲線，正是突破「事後除錯」慣性、建立「事前預防」系統思維的關鍵瓶頸。跨越此障礙，工程師獲得的將不只是程式碼的安全性，更是對系統資源流動的精準掌控力。
未來，這種在編譯期即確保資源安全的設計哲學，勢必成為評鑑資深工程師系統設計能力的關鍵指標。玄貓認為，這項修煉代表了高效能與高可靠性軟體開發的演進方向，是追求技術卓越者必須精通的核心內功。
