解密 Rust 的 String、str、&str、&'static str区别

在我们第一次接触Rust时，都会对字符串类型有点困惑。如果你发现自己处于类似的境地，不要担心，因为好消息是：虽然它们看起来很复杂，主要是因为Rust的借用、生命周期和内存管理概念，但一旦你掌握了底层内存布局，一切都非常简单。

有时，当你想要一个字符串时，你可能会发现自己有一个str，或者你可能最终得到了String，但有一个函数需要一个&str。从一个到另一个并不难，但一开始可能看起来很混乱。今天就主要来了解一下。

将底层数据（连续的字符序列）与用于与它们交互的接口分开很重要。Rust中只有一种字符串，但有多种方法可以处理字符串的分配和对该字符串的引用。

String vs str

让我们从澄清一些事情开始：首先，Rust中确实有两种独立的核心字符串类型（String和str）。虽然它们在技术上是不同的类型，但它们在很大程度上是一样的。它们都代表任意长度的UTF-8字符序列，存储在内存的连续区域中。String和str之间唯一的实际区别是内存是如何管理的。此外，要了解所有核心Rust类型，从内存管理方式的角度来思考它们是有帮助的。因此，这两种Rust字符串类型可以概括为：

• str：在栈上分配的UTF-8字符串，可以借用但不能移动或修改（注意&str可以指向堆分配的数据；我们稍后会详细讨论这个问题）
• String：在堆上分配的UTF-8字符串，可以借用和修改

在像C和C++这样的语言中，堆分配数据和栈分配数据之间的区别可能很模糊，因为C指针不会告诉你内存是如何分配的。充其量，它们告诉你有一个特定类型的内存区域，该区域可能是有效的，长度可能在0到N个元素之间。在Rust中，内存分配是明确的；因此，除了元素的数量之外，您的类型本身通常还定义内存的分配方式。

在C中，您可以在堆栈上分配字符串并对其进行修改，但在Rust中不允许在不使用unsafe关键字的情况下这样做。毫不奇怪，这是C中编程错误的主要来源。

让我们用一些C代码来说明：

char *stack_string = "stack-allocated string";
char *heap_string  = strndup("heap-allocated string");

在这段代码中，我们有两种相同的指针类型，指向不同类型的内存。第一种，stack_string 是指向栈分配内存的指针。栈上分配的内存通常由编译器处理，分配基本上是瞬时的。heap_string是相同类型的指针，指向堆分配的字符串。strndup()是一个标准的C库函数，它使用malloc()在堆上分配内存区域，将输入复制到该区域，并返回新分配区域的地址。

如果我们较真的话，我们可以说前面示例中的堆分配字符串最初是在栈上分配的，但在调用strndup()后转换为堆分配的字符串。您可以通过检查编译器生成的二进制文件来证明这一点，该文件将包含二进制文件中的文字堆分配字符串。

现在，就C而言，所有字符串都是一样的：它们只是任意长度的连续内存区域，以空字符（十六进制字节值0x00）结尾。所以如果我们回到对Rust的思考，我们可以认为str等价于第一行的stack_string。String等价于第二行的heap_string。虽然这有点过于简单化，但它是一个很好的模型，可以帮助我们理解Rust中的字符串。

如何选择使用哪种类型

大多数时候，在Rust中工作时，您主要还是使用String或&str，永远不会使用str。Rust标准库的不可变字符串函数是针对&str类型实现的，但可变函数仅针对String类型实现。

不能直接创建str，您只能借用对它的一个引用。&str是最常用的，例如用作函数参数时，因为您始终可以借用一个String作为&str。

让我们快速讨论一下静态生命周期：在Rust中，'static是一个特殊的生命周期说明符，它定义了一个在进程的整个生命周期内有效的引用（或借用变量）。在一些特殊情况下，您可能需要显式的&'static str，但在实践中，它很少遇到。

决定使用String或静态字符串归结为可变性，如图所示。如果您不需要可变性，静态字符串几乎总是最佳选择。

&'static str和&str之间唯一真正的区别是，虽然String可以作为&str借用，但String永远不能作为&'static str借用，因为String的生命周期永远不会和进程一样长。当字符串超出范围时，它会以Drop trait释放。

本质上，字符串实际上只是UTF-8字符的Vec，str只是UTF-8字符序列的一个切片，下表总结了您将遇到的核心字符串类型以及如何区分它们。

str和String的另一个区别是String可以移动，而str不能。事实上，不可能拥有str类型的变量，而只能保留对str的引用。为了说明，请考虑以下列表。

fn print_String(s: String) {
    println!("print_String: {}", s);
}
 
fn print_str(s: &str) {
    println!("print_str: {}", s);
}
 
fn main() {
    // let s: str = "impossible str";
    print_String(String::from("String"));
    print_str(&String::from("String"));
    print_str("str");
    // print_String("str");
}

前面的代码在运行时打印以下输出：

print_String: String
print_str: String
print_str: str

以上内容来自Brenden Matthews的书籍《Code Like a Pro in Rust》