Rust 逼我成為更好的工程師 零拷貝：切片(Slice)與字串切片(&str)

在 Rust 的世界裡，集合 (Vec, HashMap) 定義了資料的「擁有權邊界」。
這一篇把邊界再往內切一刀：如何將「一段資料」從「整份資料」中分離出來，並以零拷貝 (zero-copy) 的方式安全共享。

其精髓只有一句話：將資料的視圖 (View) 從容器 (Container) 中抽離，只留下語意與約束。

切片(Slice)：代表「一段資料」的視圖型別

&[T] 與 &str 是一種不擁有資料的參考型別。

它們的主要語意是作為一個指向某段連續記憶體的 「借用視圖」。
它們本身不負責記憶體的生與死，只提供一個有範圍、有約束的存取窗口。

這個設計將「我擁有這整份資料」的權力，與「我只想讀取其中一段」的需求徹底分離，讓資料共享變得幾乎沒有成本，且沒有意外的副作用。

切片是將「資料的一部分」提升為一等公民，讓你傳遞視圖，而非被迫複製資料。

fn main() {
    // 建立擁有者 (Vec<T>)，它在記憶體中配置一塊連續的資料。
    let data: Vec<i32> = vec![10, 20, 30];

    // 從 'data' 建立一個切片視圖 (&[T])。
   // 包含索引 1，但不包含索引 3。也就是索引 1 和 2。
    let view: &[i32] = &data[1..3];
}

切片(Slice) 作為「責任邊界」：更精細的權限管理

我們可以將資料互動分為三個層次，每一層都是一道更嚴格的責任邊界：

1. 擁有者 (Owner) - String / Vec<T>：擁有資料，承擔配置與釋放記憶體的全部責任。

2. 完整借用 (Borrow) - &String / &Vec<T>：暫時借用整個容器的讀取權，責任仍在擁有者身上。

3. 視圖 (View) - &str / &[T]：只借用一段範圍的存取權，形成比容器更窄、更通用的責任區段。

最小權限原則

如果一個函式只需要讀取資料，就給它一個不可變的視圖 (&[T])。
如果它只需要讀取一個字串，就給它 &str。
不要交出整個容器的所有權或可變性。

• 擁有者 (Owner) 是權力的頂層，它控制著資料的生殺大權。
• 它可以出借完整的借用 (Borrow)，或是更精細的視圖 (View)。
• 視圖 (View) 是最基礎、最通用的層級，代表了最小權限原則。

String 與 &str 的彈性

// 讀取視圖，回傳一個新的、擁有所有權的 String
fn shout(s: &str) -> String {
    s.to_uppercase()
}

fn main() {
    let owned_string = String::from("hello");
    let string_literal = "world";
    let part_of_string = &owned_string[0..2]; // "he"
    
	// 同一個函式，無縫接軌三種不同來源的字串資料
    let a = shout(&owned_string);
    let b = shout(string_literal);
    let c = shout(part_of_string);
}

資料互動的三種關係：讀、改、搬

• 讀 (&[T] / &str)：傳遞一個只讀視圖。這是最常見、最安全、零成本的操作。

• 改 (&mut [T])：傳遞一個唯一的可變視圖。允許原地修改，但 Rust 的借用規則會保證在同一時間只有這一個可變視圖存在，將副作用完美地限制在一個範圍內。

• 搬 (Vec<T> / String)：轉移擁有權。當你需要為資料找到新的擁有者時使用。這是一個清晰的邊界劃分。

Vec 與 &[]：讀 / 改 / 拆視圖

let mut data = vec![10, 20, 30, 40, 50];

// 讀：任何需要 &[i32] 的 API 都能接受
fn sum(xs: &[i32]) -> i32 { xs.iter().sum() }
let total = sum(&data);

// 改：以 &mut [i32] 原地處理
fn scale(xs: &mut [i32], k: i32) { for x in xs { *x *= k; } }
scale(&mut data[1..4], 2);  // 只改中間那段

// 視圖：子切片零拷貝
let mid: &[i32] = &data[1..4];

生命週期的直覺：視圖活不過母體

切片只是一把「尺」，它量測的是其「母體」資料的一段長度。

如果母體資料消失了，這把尺的度量就失去了意義。

因此，Rust 編譯器強制規定：&[T] 或 &str 的生命週期，永遠不能超過其來源資料的生命週期。

重點原則

1. 切片不擁有資料，其創建永遠是零拷貝的。

2. 切片的有效性由來源資料的生命週期決定，由編譯器保證安全。

3. 切片讓 API 從「綁定具體容器」升級為「面向抽象資料視圖」。

以型別，取代執行期的 if/else

Rust 鼓勵我們將這些檢查移到編譯期。

• 你不需要在函式內到處檢查「是不是字串常值？」、「是不是 String？」——簽名改成 &str 就好。
• 你不需要在函式內到處檢查「會不會越界？」——切片建立時就保證邊界，之後型別只代表有效區段。
• 你不需要在函式內到處檢查「會不會被別人同時修改？」——&mut [T] 的唯一借用保證了排他性。

結論：不只是 API，更是設計語言

Rust 的切片 (Slice) 機制不只是一個好用的工具，它是一種設計哲學的體現：

1. 以視圖收斂 API 入口：用 &str 和 &[T] 接受所有相容的資料來源，提升通用性。

2. 以型別保障共享安全：讓編譯器代替你在執行期擔心生命週期和資料競爭。

3. 以權限約束副作用：用 &mut [T] 將可變操作限制在最小的必要範圍內。

4. 讓成本變得透明：當你需要新擁有者時，再透過 String::new() 或 .to_vec() 等方法明確地承擔記憶體分配的成本。

這套系統的主要思考是：不要輕易複製記憶體，而是給出一個帶有長度和生命週期約束的指標，然後讓強大的編譯器確保你不會搞砸。

相關連結與參考資源

• 切片 &[T]
• 字串切片 &str
• 生命週期與借用