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   1 // Rust-101, Part 04: Ownership, Borrowing, References
   2 // ===================================================
   3
   4 //@ Rust aims to be a "safe systems language". As a systems language, of course it
   5 //@ provides *references* (or *pointers*). But as a safe language, it has to
   6 //@ prevent bugs like this C++ snippet.
   7 /*
   8   void foo(std::vector<int> v) {
   9       int *first = &v[0];
  10       v.push_back(42);
  11       *first = 1337; // This is bad!
  12   }
  13 */
  14 //@ What's going wrong here? `first` is a pointer into the vector `v`. The operation `push_back`
  15 //@ may re-allocate the storage for the vector, in case the old buffer was full. If that happens,
  16 //@ `first` is now a dangling pointer, and accessing it can crash the program (or worse).
  17 //@
  18 //@ It turns out that only the combination of two circumstances can lead to such a bug:
  19 //@ *aliasing* and *mutation*. In the code above, we have `first` and the buffer of `v`
  20 //@ being aliases, and when `push_back` is called, the latter is used to perform a mutation.
  21 //@ Therefore, the central principle of the Rust typesystem is to *rule out mutation in the presence
  22 //@ of aliasing*. The core tool to achieve that is the notion of *ownership*.
  23
  24 // ## Ownership
  25 //@ What does that mean in practice? Consider the following example.
  26 fn work_on_vector(v: Vec<i32>) { /* do something */ }
  27 fn ownership_demo() {
  28     let v = vec![1,2,3,4];
  29     work_on_vector(v);
  30     /* println!("The first element is: {}", v[0]); */               /* BAD! */
  31 }
  32 //@ Rust attaches additional meaning to the argument of `work_on_vector`: The function can assume
  33 //@ that it entirely *owns* `v`, and hence can do anything with it. When `work_on_vector` ends,
  34 //@ nobody needs `v` anymore, so it will be deleted (including its buffer on the heap).
  35 //@ Passing a `Vec<i32>` to `work_on_vector` is considered *transfer of ownership*: Someone used
  36 //@ to own that vector, but now he gave it on to `take` and has no business with it anymore.
  37 //@
  38 //@ If you give a book to your friend, you cannot just come to his place next day and get the book!
  39 //@ It's no longer yours. Rust makes sure you don't break this rule. Try enabling the commented
  40 //@ line in `ownership_demo`. Rust will tell you that `v` has been *moved*, which is to say that
  41 //@ ownership has been transferred somewhere else. In this particular case, the buffer storing the
  42 //@ data does not even exist anymore, so we are lucky that Rust caught this problem!
  43 //@ Essentially, ownership rules out aliasing, hence making the kind of problem discussed above
  44 //@ impossible.
  45
  46 // ## Borrowing a shared reference
  47 //@ If you go back to our example with `vec_min`, and try to call that function twice, you will
  48 //@ get the same error. That's because `vec_min` demands that the caller transfers ownership of the
  49 //@ vector. Hence, when `vec_min` finishes, the entire vector is deleted. That's of course not what
  50 //@ we wanted! Can't we somehow give `vec_min` access to the vector, while retaining ownership of it?
  51 //@
  52 //@ Rust calls this *a reference* to the vector, and it considers references as *borrowing*
  53 //@ ownership. This works a bit like borrowing does in the real world: If your friend borrows a
  54 //@ book from you, your friend can have it and work on it (and you can't!) as long as the book is
  55 //@ still borrowed. Your friend could even lend the book to someone else. Eventually however, your
  56 //@ friend has to give the book back to you, at which point you again have full control.
  57 //@
  58 //@ Rust distinguishes between two kinds of references. First of all, there's the *shared* reference.
  59 //@ This is where the book metaphor kind of breaks down... you can give a shared reference to
  60 //@ *the same data* to lots of different people, who can all access the data. This of course
  61 //@ introduces aliasing, so in order to live up to its promise of safety, Rust generally does not
  62 //@ allow mutation through a shared reference.
  63
  64 //@ So, let's re-write `vec_min` to work on a shared reference to a vector, written `&Vec<i32>`.
  65 //@ I also took the liberty to convert the function from `SomethingOrNothing` to the standard
  66 //@ library type `Option`.
  67 fn vec_min(v: &Vec<i32>) -> Option<i32> {
  68     use std::cmp;
  69
  70     let mut min = None;
  71     // This time, we explicitly request an iterator for the vector `v`. The method `iter` just
  72     // borrows the vector it works on, and provides shared references to the elements.
  73     for e in v.iter() {
  74         // In the loop, `e` now has type `&i32`, so we have to dereference it to obtain an `i32`.
  75         min = Some(match min {
  76             None => *e,
  77             Some(n) => cmp::min(n, *e)
  78         });
  79     }
  80     min
  81 }
  82
  83 // Now that `vec_min` does not acquire ownership of the vector anymore, we can call it multiple times on the same vector and also do things like
  84 fn shared_ref_demo() {
  85     let v = vec![5,4,3,2,1];
  86     let first = &v[0];
  87     vec_min(&v);
  88     vec_min(&v);
  89     println!("The first element is: {}", *first);
  90 }
  91 //@ What's going on here? First, `&` is how you lend ownership to someone - this operator creates a
  92 //@ shared reference. `shared_ref_demo` creates three shared references to `v`: The reference
  93 //@ `first` begins in the 2nd line of the function and lasts all the way to the end. The other two
  94 //@ references, created for calling `vec_min`, only last for the duration of that respective call.
  95 //@
  96 //@ Technically, of course, references are pointers. Notice that since `vec_min` only gets a shared
  97 //@ reference, Rust knows that it cannot mutate `v`. Hence the pointer into the buffer of `v`
  98 //@ that was created before calling `vec_min` remains valid.
  99
 100 // ## Unique, mutable references
 101 //@ There is a second way to borrow something, a second kind of reference: The *mutable reference*.
 102 //@ This is a reference that comes with the promise that nobody else has *any kind of access* to
 103 //@ the referee - in contrast to shared references, there is no aliasing with mutable references.
 104 //@ It is thus always safe to perform mutation through such a reference. Because there cannot be
 105 //@ another reference to the same data, we could also call it a *unique* reference, but that is not
 106 //@ their official name.
 107
 108 //@ As an example, consider a function which increments every element of a vector by 1.
 109 //@ The type `&mut Vec<i32>` is the type of mutable references to `Vec<i32>`. Because the reference
 110 //@ is mutable, we can use a mutable iterator, providing mutable references to the elements.
 111 fn vec_inc(v: &mut Vec<i32>) {
 112     for e in v.iter_mut() {
 113         *e += 1;
 114     }
 115 }
 116 // Here's an example of calling `vec_inc`.
 117 fn mutable_ref_demo() {
 118     let mut v = vec![5,4,3,2,1];
 119     /* let first = &v[0]; */
 120     vec_inc(&mut v);
 121     vec_inc(&mut v);
 122     /* println!("The first element is: {}", *first); */             /* BAD! */
 123 }
 124 //@ `&mut` is the operator to create a mutable reference. We have to mark `v` as mutable in order
 125 //@ to create such a reference: Even though we completely own `v`, Rust tries to protect us from
 126 //@ accidentally mutating things.
 127 //@ Hence owned variables that you intend to mutate have to be annotated with `mut`.
 128 //@ Because the reference passed to `vec_inc` only lasts as long as the function call, we can still
 129 //@ call `vec_inc` on the same vector twice: The durations of the two references do not overlap, so
 130 //@ we never have more than one mutable reference - we only ever borrow `v` once at a time.
 131 //@ However, we can *not* create a shared reference that spans a call to `vec_inc`. Just try
 132 //@ enabling the commented-out lines, and watch Rust complain. This is because `vec_inc` could mutate
 133 //@ the vector structurally (i.e., it could add or remove elements), and hence the reference `first`
 134 //@ could become invalid. In other words, Rust keeps us safe from bugs like the one in the C++
 135 //@ snippet above.
 136 //@
 137 //@ Above, I said that having a mutable reference excludes aliasing. But if you look at the code
 138 //@ above carefully, you may say: "Wait! Don't the `v` in `mutable_ref_demo` and the `v` in
 139 //@ `vec_inc` alias?" And you are right, they do. However, the `v` in `mutable_ref_demo` is not
 140 //@ actually usable, it is not *active*: As long as `v` is borrowed, Rust will not allow you to do
 141 //@ anything with it.
 142
 143 // ## Summary
 144 // The ownership and borrowing system of Rust enforces the following three rules:
 145 //
 146 // * There is always exactly one owner of a piece of data
 147 // * If there is an active mutable reference, then nobody else can have active access to the data
 148 // * If there is an active shared reference, then every other active access to the data is also a
 149 //   shared reference
 150 //
 151 // As it turns out, combined with the abstraction facilities of Rust, this is a very powerful
 152 // mechanism to tackle many problems beyond basic memory safety. You will see some examples for
 153 // this soon.
 154
 155 //@ [index](main.html) | [previous](part03.html) | [raw source](workspace/src/part04.rs) |
 156 //@ [next](part05.html)