Tự nhiên dự án mới của Cty buộc mình phải học Rust, mà ngày trước khi mình tiếp xúc Rust lần đầu mình đã chửi thầm trong bụng rồi. Rồi cái đưa đẩy sao bây giờ bắt buộc mình phải học Rust, bực bội. Nhưng mà đọc đi đọc lại nhiều lần từ từ cũng hiểu cái tự nhiên thích ngang!

Mình thấy vấn đề nguồn cơn tạo nên mọi sự khó hiểu khác trong Rust là Ownership, data lưu trên stack hay lưu trên heap đồ đó.

1. Các kiểu dữ liệu trong Rust.

Trong Rust chia thành 2 nhóm kiểu dữ liệu, đoạn này phiên phiến thôi nha, đọc code chắc cũng hiểu, làm biếng viết quá.

1.1 Scalar

Các kiểu dữ liệu thuộc nhóm Scalar bao gồm:

• Các kiểu số nguyên (Integer Types)

arch nghĩa là phụ thuộc vào architecture của máy tính chạy chương trình mà nó có kích thước là 32-bits hoặc 64-bits

• Các kiểu số thực (Floating-Point Types) gồm: f32 và f64.
• Kiểu Boolean: bool
• Kiểu ký tự (Character type): char, kiểu này giá trị chỉ được gán 1 ký tự duy nhất

fn main() {
    let c = 'z';
    let z: char = 'ℤ'; // with explicit type annotation
    let heart_eyed_cat = '😻';
}

• Kiểu &str: mặc dù kiểu này không cố định kích thước nhưng kích thước của nó phải được xác định khi compile.

fn main() {
   let mut s = "abc";
   s = "abcde";
}

Rõ ràng từ dòng 2 đến dòng 3 kích thước của s đã tăng lên nhưng Compiler vẫn xác định được kích thước ở mỗi giai đoạn trong khi compile.

1.2 Compound

Các kiểu dữ liệu thuộc nhóm Compound bao gồm:

• Tuple

fn main() {
    let tup = (500, 6.4, 1);

    let (x, y, z) = tup;

    println!("The value of y is: {y}");
}

• Array

fn main() {
    let a = [1, 2, 3, 4, 5];
    let b = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];

    println!("{:?}", a);
    println!("{:?}", b);
}

Lưu ý là array trong rust sẽ không có bất cứ phương thức nào như pop hoặc push nhằm thay đổi độ dài của array, hoặc ngay cả khi triển khai code như sau:

fn main() {
    let mut a = [1, 2, 3, 4, 5];
    let b = ["January", "February", "March", "April", "May", "June", "July",
              "August", "September", "October", "November", "December"];
    a[5] = 6;

    println!("{:?}", a);
    println!("{:?}", b);
}

Mặc dù khi compile không hề phát hiện lỗi, nhưng khi chạy sẽ báo lỗi:

thread 'main' panicked at 'index out of bounds: the len is 5 but the index is 5', ./file.rs:4:5
note: run with `RUST_BACKTRACE=1` environment variable to display a backtrace

2. Stack và Heap

Trong Rust, memory được chia thành 2 phần là Stack và Heap

• Stack hoạt động theo kiểu: Last In First Out (push, pop), các dữ liệu được lưu trên Stack phải là những dữ liệu có kích thước được biết trước tại thời điểm compile và kích thước không thay đổi (known-fixed size) trong suốt thời gian chạy chương trình.
• Heap dành cho các dữ liệu không biết trước kích thước và kích thước có thể trong khi chạy chương trình (unknown size), rồi các con trỏ (pointer) trỏ đến các dữ liệu đó mới được lưu trênStack. Heap hoạt động nhờ vào Memory Allocator, mỗi khi một dữ liệu nào đó muốn được lưu trên Heap, Memory Allocator sẽ tìm vùng còn vừa đủ trên Heap để lưu dữ liệu vào, rồi push pointer vào Stack.

Vậy các kiểu dữ liệu nào được lưu trực tiếp trên Stack? Gồm: các kiểu integer, các kiểu floating-point, char, &str, các kiểu compound mà thành phần của nó chỉ gồm integer, floating-point, char, &str, các kiểu này khi lưu vào và lấy ra chỉ đơn giản là push pop Stack.

Còn các kiểu dữ liệu như String, Vector, các kiểu compound mà thành phần của nó có chứa String hoặc Vector, các struct tự định nghĩa có thành phần có chứaString hoặc Vector sẽ được lưu trên Heap.

Khúc này là thấy bắt đầu nhức nhức cái đầu, như mới vừa quất xong ly trà Phúc Long siêu đậm đặc rồi đó.

Ba quy tắc của Ownership

• Mọi giá trị trong Rust đều có một owner, dù cho giá trị đó thuộc kiểu dữ liệu nào.
• Một giá trị không thể có nhiều hơn một owner tại một thời điểm.
• Khi owner đi ra khỏi scope của nó, giá trị mà nó đang mang cũng sẽ bị drop.

Phạm vi của biến (Scope variable) là gì

Ví dụ:

fn main() {
    {                      // s is not valid here, it’s not yet declared
        let s = "hello";   // s is valid from this point forward

        // do stuff with s
    }                      // this scope is now over, and s is no longer valid
}

đọc code chắc cũng mường tượng được ha, scope của biến s được xác định bằng cặp dấu ngoặc nhọn {} gần nhất bao phủ lên cái sự khai báo biến s, ở đây s là owner của giá trị "hello" và giá trị này như đã nói ở trên, nó được lưu trên Stack.

3. Minh hoạ Ownership

Nhắc lại, trong Rust, String và &str là hai kiểu dữ liệu khác nhau hoàn toàn nha, mặc dù cùng để lưu trữ chuỗi ký tự, &str như là kiểu có sẵn của Rust còn String là người ta phải code để build nó dựa trên Vector, và có một bộ phương thức của riêng nó.

Tại sao lại phải cần đến String trong khi đã có &str, như đã nói ở trên rồi đó, &str mặc dù có thể thay đổi độ dài khi chạy chương trình nhưng Compiler luôn xác định được độ dài của nó tại mỗi thời điểm thông qua quá trình compile, còn String sẽ dành cho các giá trị mà được user nhập vào khi chương trình chạy, do đó Compile không thể biết trước được độ dài của giá trị đó nên bắt buộc phải dùng String. Ví dụ:

use std::io;

fn main() {
    println!("Please input your text.");

    let mut text = String::new();

    io::stdin()
        .read_line(&mut text)
        .expect("Failed to read line");

    println!("You text: {text}");
}

Dữ liệu kiểu String sẽ có giá trị được lưu trên Heap.

#![allow(unused)]
fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
}

Bình thường khi ta khai báo một biến nhưng sau đấy không làm gì biến đó cả thì khi Compiler compile nó sẽ hiện ra một cái warning = note:#[warn(unused_variables)]on by default, chúng ta có thể fix bằng cách đổi tên biến thành _s1 hoặc thêm cái #![allow(unused)] nếu dùng std hoặc #[allow(unused)] nếu không dùng std.

s1 sẽ được lưu trữ như thế nào trong memory:

s1 là một bộ data được lưu trên Stack bao gồm ptr, len, capacity, ptr trỏ đến giá trị thật sự là "hello" đang được lưu trên Heap, bộ data này biểu thị viêc s1 đang là owner của giá trị "hello" .

khác hoàn toàn với trường hợp sau:

fn main() {
    let x = 5;
}

do x là kiểu i32 nên, biết trước kích thước và không thay đổi kích thước nên giá trị của x sẽ được lưu hoàn toàn trên Stack, và x là owner của giá trị đó.

Phép gán (Shallow copy)

Là cách copy dữ liệu trên Stack, xét ví dụ sau với String:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1;

    println!("{}, world!", s1); // ERROR
    println!("{}, world!", s2);
}

Khi ta gán giá trị của s1 cho s2 thực chất là đang move quyền sở hữu của giá trị "hello" trên Heap (ownership) từ s1 sang s2, do đó kể từ dòng 3, s1 đã không còn giá trị gì nên khi in nó ra màn hình chương trình sẽ gặp lỗi, Compiler sẽ phát hiện lỗi này ngay lúc compile, lỗi như sau:

$ cargo run
   Compiling ownership v0.1.0 (file:///projects/ownership)
error[E0382]: borrow of moved value: `s1`
 --> src/main.rs:5:28
  |
2 |     let s1 = String::from("hello");
  |         -- move occurs because `s1` has type `String`, which does not implement the `Copy` trait
3 |     let s2 = s1;
  |              -- value moved here
4 | 
5 |     println!("{}, world!", s1);
  |                            ^^ value borrowed here after move
  |
  = note: this error originates in the macro `$crate::format_args_nl` (in Nightly builds, run with -Z macro-backtrace for more info)

For more information about this error, try `rustc --explain E0382`.
error: could not compile `ownership` due to previous error

Xét tiếp ví dụ sau với i32:

fn main() {
    let x = 5;
    let y = x;
    
    println!("{}", x);
    println!("{}", y);
}

Đoạn code này hoàn toàn hợp lệ và chạy bình thường, do i32 là kiểu dữ liệu có giá trị được lưu trên Stack.

Phép gán hay còn gọi là Shallow copy sẽ chỉ copy dữ liệu trên Stack, sẽ thực hiện các hành vi khác nhau sau đây:

• Đối với các kiểu dữ liệu đơn biết trước kích thước như các kiểu interger, floating-point, &str, có giá trị được lưu trên Stack, do đó khi thực hiện gán, giá trị sẽ được copy ra một bản khác cũng trên Stack mà không vi phạm bất cứ nguyên tác nào của Ownership, như ví dụ ở trên, x vẫn hợp sau khi y được gán bằng x.
• Đối với các kiểu dữ liệu không biết trước kích thước như String và Vector, giá trị thực sự được lưu trên Heap còn pointer len capacity được lưu trên Stack, nên khi thực hiện gán các data trên stack sẽ được copy là một bản khác trên stack, nhưng nhắc lại quy tắc thứ 2 của Ownership là "Một giá trị không thể có nhiều hơn một owner tại một thời điểm.", do đó đối vớ các kiểu dữ liệu này, khi thực hiện gán sẽ là hành động move ownership từ biến này sang biến khác. Do đó với ví dụ với String ở trên, khi gán s2 bằng s1, s1 sẽ không còn giá trị gì, lệnh pritnln!("{}", s1) sẽ gặp lỗi.

Clone (Deep copy)

Phép clone là cách copy giá trị trên Heap, xét ví dụ sau:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");
    let s2 = s1.clone();

    println!("s1 = {}, s2 = {}", s1, s2);
}

Lúc này s1, s2 là 2 owner của 2 giá trị hoàn toàn nằm riêng rẽ nhau trên Heap, cho nên s1 vẫn hợp lệ sau khi thực hiện phép let s2 = s1.clone()

Xét tiếp ví dụ với i32:

fn main() {
    let a = 5;
    let b = a.clone();

    println!("{}, {}", a,b);
}

Mặc dù, kiểu dữ liệu i32 lưu giá trị trên Stack hoàn toàn không có gì trên Heap, thế nhưng phép clone() vẫn hoạt động được, do nó xác định được tầng Stack là tầng sâu nhất của kiểu i32, do đó phép clone() hoàn toàn giống phép gán trong trường hợp này.

Oke, mới đá thêm tô phở 2 muỗng bột ngọt nè.

Ownership với Function

Xét ví dụ sau với String:

fn main() {
    let s = String::from("hello");  // s comes into scope

    takes_ownership(s);             // s's value moves into the function...
                                    // ... and so is no longer valid here
                                    
    println!("{}", s); // ERROR

}

fn takes_ownership(some_string: String) { // some_string comes into scope
    println!("{}", some_string);
} // Here, some_string goes out of scope and `drop` is called. The backing
  // memory is freed.

Ở dòng đầu, chúng ta khai s là một biến kiểu String, s lúc này đang là owner của giá trị "hello" đang được lưu trên Heap

Ở dòng tiếp theo chúng ta gọi hàm takes_ownership(s) với tham số truyền vào là s, nhìn khai báo của hàm là fn takes_ownership(some_string: String) String{...}, chúng ta có thể hiểu nôm na là đầu tiên gán some_string = s lúc này ownership của giá trị "hello" đã được chuyển từ s sang cho some_string, sau đó chạy code của hàm với some_string, mặt khác nhắc lại kiến thức của variable scope thì scope của some_string chỉ là nội bộ hàm take_ownership, kết thúc hàm này some_string sẽ bị drop, chính vì thế lệnh pritnln!("{}", s) sẽ bị lỗi do s đang không có giá trị nào.

Xét tiếp ví dụ với i32:

fn main() {
    let x = 5;                      // x comes into scope

    makes_copy(x);                  // x would move into the function,
                                    // but i32 is Copy, so it's okay to still
                                    // use x afterward
     println!("{}", x);

}

fn makes_copy(some_integer: i32) { // some_integer comes into scope
    println!("{}", some_integer);
} // Here, some_integer goes out of scope. Nothing special happens.

Ở dòng đầu, vẫn là khai báo x đang là owner của giá trị 5 được lưu trên Stack.

Ở dòng tiếp thep, chúng ta gọi hàm makes_copy(x), với tham số truyền vào là x, hiểu nôm na là đầu tiên gán some_integer = x, nhắc lại kiến thức về phép gán với kiểu i32 thì lúc này thực chất x và some_integer đang là 2 owner của 2 giá trị nằm riêng biệt trên Stack, tiếp theo chúng ta thực hiện code của hàm makes_copy() đối với some_integer, kết thúc hàm some_integer sẽ bị drop, tuy nhiên do ownership của x và some_integer hoàn toàn nằm riêng biệt nhau nên dù some_integer bị drop thì x vẫn còn giá trị. Do đó đoạn code trên hoàn toàn không có lỗi nào.

Làm thế nào để bảo toàn ownership cho String khi gọi hàm?

Đơn giản là chúng ta cho hàm return một ownership:

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");     // s2 comes into scope

   let s1 = takes_and_gives_back(s1);
   
   println!("{}", s1);
}

// This function takes a String and returns one
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string comes into
                                                      // scope
    println!("{}", a_string);
    a_string  // a_string is returned and moves out to the calling function
}

Đầu tiên sẽ lẽ gán a_string = s1, ownership của "hello" lúc này được move từ s1 sang cho a_string, tuy nhiên ở giá trị trả về của hàm lúc này là String, cho nên khi ra khỏi hàm ownership lại được move ngay từ a_string về lại s1.

Tại sao lại phải let s1 tận 2 lần, do mặc định các biến trong Rust là immutable, nên data của s1 không được phép gán lại nên đành phải chọn cách khai báo đè lại biến s1, để khắc phục điều này chúng ta có thể sửa code như sau:

fn main() {
    let mut s1 = String::from("hello");     // s2 comes into scope

   s1 = takes_and_gives_back(s1);
   
   println!("{}", s1);
}

// This function takes a String and returns one
fn takes_and_gives_back(a_string: String) -> String { // a_string comes into
                                                      // scope
    println!("{}", a_string);
    a_string  // a_string is returned and moves out to the calling function
}

Đơn giản là thêm mut vào khai báo s1.

Tới đây là chỉ cần thêm ít đèn, ít nhạc là tao có thể đi cảnh được luôn đó.

fn main() {
    let s1 = String::from("hello");

    let (s2, len) = calculate_length(s1);

    println!("The length of '{}' is {}.", s2, len);
}

fn calculate_length(s: String) -> (String, usize) {
    let length = s.len(); // len() returns the length of a String

    (s, length)
}

Thật may là Rust đã hỗ trợ cho chúng ta References and Borrowing, phép này sẽ cho chúng ta được quyền truy cập vào giá trị của biến mà không ảnh hưởng gì đến ownership của biến đó. Tạm thời giới thiệu trước vậy thôi chứ đợi bữa nào hứng mới viết tiếp về cái này.

4. Tổng kết

Tổng kết có mấy ý như sau:

• Các kiểu dữ liệu biết trước kích thước sẽ được lưu giá trị trên Stack
• Các kiểu dữ liệu không biết trước sẽ được lưu giá trị trên Heap
• Phép gán là Shallow copy, chỉ copy giá trị trên Stack. Thực hiện phép gán với kiểu dữ liệu có kích thước biết trước sẽ tạo ra một ownership mới riêng biệt với ownership cũ, thực hiện phép gán với kiểu dữ liệu có kích thước không biết trước sẽ move ownership từ biến cũ sang biến mới
• Phép clone() là Deep copy, copy giá trị trên Heap, phép clone() có thể hoạt động với cả các kiểu dữ liệu biết trước và không biết trước kích thước. Ngộ nghĩnh nhỉ, lạ lùng nhỉ!
• Khi một biến ra khỏi phạm vi của nó, nó sẽ bị drop
• Muốn bảo toàn một ownership khi gọi một hàm thì hàm đó hoặc trả về một ownership khác hoặc tham số truyền vào hàm ở dạng reference.