Rust變量為啥要設計成默認不可變？

Rust 定義變量默認是不可變的，如果可變，需要顯式關鍵字 mut 聲明。

// 不允許修改
let x = 12;
// 允許修改
let mut y = 13;

如果你對不允許修改的變量進行修改，是會直接編譯報錯的。

那么 rust 為啥要這樣設計呢？

1. 內存安全（Memory Safety）無需垃圾回收器（GC）

Rust 的核心目標是：在不依賴 GC 的前提下保證內存安全。

而不可變變量（let x = ...）是達成這個目標的重要手段。

// 編譯錯誤 - 防止意外修改
let x = 5;
x = 10; // 編譯器阻止

// 必須顯式聲明可變性
let mut y = 5;
y = 10; // OK

• 如果一個變量不可變，那么：
  • 你不能隨意修改它的值；
  • 編譯器可以確信：只要這個變量存在，其值就是一致的；
  • 多線程訪問中，不可變數據天然是線程安全的（無需加鎖）；
  • 編譯器無需追蹤誰在修改它 → 避免數據競爭。

底層原理：編譯器在構建“借用檢查器”（borrow checker）時，可以將不可變綁定視為只讀引用的生命周期，提升靜態分析能力。

2. 易于靜態分析與編譯優化

不可變性讓 Rust 編譯器在編譯期間更容易進行靜態分析與優化：

• 不可變數據不會變化 → 編譯器可以提前內聯、緩存、優化；
• 編譯器能推導出更精準的生命周期與借用范圍；
• 代碼行為更可預測，避免未定義行為（undefined behavior）。

舉例：LLVM 后端可以對不可變變量做 aggressive constant folding（通過編譯器優化技術對程序中重復出現的常量表達式進行折疊處理，以減少運行時計算量并優化代碼體積）、值傳播、死代碼消除等。

let x = expensive_calculation();
// 編譯器知道 x 不會改變，可以：
// 1. 將 x 存儲在寄存器中
// 2. 消除重復的內存讀取
// 3. 進行常量傳播優化
use_value(x);
use_value(x); // 4.編譯器可以重用之前的值

3. 避免數據競爭（Data Race）

Rust 中的數據競爭是編譯錯誤，而不是運行時錯誤。默認不可變正好是最好的保護：

• 數據競爭是指：兩個線程同時訪問同一變量，且至少一個是寫；
• 默認不可變意味著：你要寫變量必須顯式 mut 標注，或者加鎖；
• 所有“可變”的行為都必須顯式 → 更容易在代碼審查中發現問題。

比如在Java語言中，這段代碼編譯是不會報錯的，但是輸出結果無法保證，可能為 1（本應是 2）。

這種問題 運行時才暴露問題，可能非常隱蔽且難以調試。

public class RaceConditionExample {
    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            counter++;  // 不是原子操作
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            counter++;  // 不是原子操作
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Counter: " + counter);
    }
}

但是在rust 中會直接編譯失敗。

use std::thread;

fn main() {
    let mut counter = 0;

    let handle1 = thread::spawn(|| {
        counter += 1; // ? 編譯失敗
    });

    let handle2 = thread::spawn(|| {
        counter += 1; // ? 編譯失敗
    });

    handle1.join().unwrap();
    handle2.join().unwrap();
}

運行報錯：

Rust 編譯器發現你把一個非線程安全的可變變量 counter 移入了兩個線程閉包中，而沒有同步機制，于是直接編譯錯誤。

4. 表達設計意圖，提升可讀性與可維護性

不可變變量也是一種語義提示：

• let x = 5 → 表示 x 不會改變；
• let mut x = 5 → 表示 x 的值會變化。

這種強制標記有助于代碼維護者理解變量生命周期與職責。

5. 默認安全（safe by default）

Rust 的設計哲學之一是：安全默認（safe by default），也就是說：

• 只有當程序員顯式請求“危險行為”（如 unsafe、mut、裸指針等）時才打開風險；
• 變量默認不可變 → 編譯器可以保證只讀訪問不會引起內存錯誤；
• 需要寫權限時，你得自己“承擔責任”去標明。