Rust 讓人難以理解的 lifetime
本篇分享案例來自 The Rust Book[1], 在很多模糊的地方增加自己的理解
上次分享了 Rust 引用, 不熟悉的可以先回顧下前文。首先什麼是 lifetimes? 生命週期定義了一個引用的有效範圍，換句話說 lifetimes 是編譯器用來比對 owner 和 borrower 存活時間的工具，目的是儘可能的避免懸垂引用 (dangling pointer)
fn main() {
{
let r;
{
let x = 5;
r = &x;
// ^^ borrowed value does not live long enough
}
// - `x` dropped here while still borrowed
println!("r: {}", r);
// - borrow later used here
}
}let r; 聲明瞭一個變量，在內層語句塊中變成對 x 變量的引用，當內層語句塊結束後，變量 x (owner) 脫離作用域釋放，println 時 r 成了懸垂引用，所以編譯器報錯
借用檢查器
借用檢查器 (borrow checker) 用來對比作用域，來決定這個引用是否有效。上圖有兩個註釋 'a 'b 來分別代表 r, x 的作用域，內存語句塊的 'b 遠遠小於外層的 'a, 編譯階段發現 x 生命週期短於 r, 所以報錯阻止編譯
如果要修復也很簡單，把 println 放到內層語句塊即可。大多數時候，我們不需要顯示指定 lifetimes, 編譯器很智能，會自動幫我們推斷，但也有例外
看個例子
fn main() {
let string1 = String::from("abcd");
let string2 = "xyz";
let result = longest(string1.as_str(), string2);
println!("The longest string is {}", result);
}
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}來看一個需要指定 lifetimes 的例子，longest 返回字符串最長的引用，編譯時報錯
編譯器蒙逼了，他不知道函數返回的引用到底是哪一個，需要指定生命週期。並且很貼心的給了提示
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str這裏引出 lifetimes 的一個規則：如果函數輸入參數有引用 (凡是引用必然有 lifetimes), 返回結果如果不是引用，那麼可以省略標註生命週期，反之必須標註
道理很簡單，如果返回結果是引用，那麼根據 ownership 的三原則，他引用的對象一定不是函數內部創建的，因爲函數返回後，該引用的對象會被釋放掉，返回的引用就成了懸垂引用
所以，返回引用的生命週期必然和輸入參數的一致，這就引出 lifetimes 第二個規則：如果輸入參數只有一個是引用，帶有 lifetimes, 且返回值也是引用，那麼這兩個生命週期必然一致，可以省略標註 lifetimes, 反之必須標註
這裏稍微有些繞，大家需要仔細想想並且多跑跑測試例子，加深理解，我剛開始接觸這裏也走了很多彎路
生命週期語法
&i32 // a reference
&'a i32 // a reference with an explicit lifetime
&'a mut i32 // a mutable reference with an explicit lifetime語法沒什麼特別的，就是泛型語法，通常從 'a 開始，'b, 'c 都行，寫成別的也可以
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}上面的例子 <'a> 是泛型語法，函數簽名表示 x, y 生命週期是一樣的，那麼返回引用自然也是 'a
fn main() {
let s: &'static str = "I have a static lifetime.";
}但是上面的靜態生命週期的要用 'static 關鍵字，表示該引用存活在整個程序運行期間。該字符串會被編譯到二進制 data 數據段中
fn longest_with_an_announcement<'a, T>(x: &'a str, y: &'a str, ann: T) -> &'a str
where T: Display
{
println!("Announcement! {}", ann);
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}上面是和正常泛型參數結合的例子，<'a, T>, 第一個 'a 是生命週期，第二個是泛型 T, 要求實現 Display trait. 注意這裏面順序不能顛倒，如果 T 放到前面會報錯
error: lifetime parameters must be declared prior to type parameters
--> src/main.rs:6:36
|
6 | fn longest_with_an_announcement<T, 'a>(x: &'a str, y: &'a str, ann: T) -> &'a str
| ----^^- help: reorder the parameters: lifetimes, then types: `<'a, T>`
error: aborting due to previous error函數簽名裏的標註
fn main() {
let string1 = String::from("long string is long");
let result;
{
let string2 = String::from("xyz");
result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
}
println!("The longest string is {}", result);
}
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}這個例子就會報錯，雖然我們指定了生命週期，但沒什麼用。string2 在語句塊結束後就被釋放了，println resut 時繼續使用 string2 的引用就是非法的。把 println 放在語句塊內部就可以了
多個生命週期參數
fn longest<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str如果函數有多個生命週期參數，'a, 'b, 返回引用是 'a, 此時編譯會報錯
11 | fn longest<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
| ------- -------
| |
| this parameter and the return type are declared with different lifetimes...
...
15 | y
| ^ ...but data from `y` is returned here原理很簡單，編譯器無法確定這兩個 lifetimes 的有效長度，需要指定約束
fn longest<'a, 'b: 'a>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}最終函數如上所示，其中 'b: 'a 表示 'b 一定包括 'a 生命週期長度
結構體內的標註
struct ImportantExcerpt<'a> {
part: &'a str,
}
fn main() {
let novel = String::from("Call me Ishmael. Some years ago...");
let first_sentence = novel.split('.')
.next()
.expect("Could not find a '.'");
let i = ImportantExcerpt { part: first_sentence };
}在結構體定義時，如果存在引用，也要寫上 'a 註釋，泛型語法這裏不再贅述了。part 是一個字符串引用，在實例 i 創建前就存在了，並且和 i 同時離開作用域被釋放
如果去掉泛型的 lifetime 註釋，就會報錯
error[E0106]: missing lifetime specifier
--> src/main.rs:2:11
|
2 | part: & str,
| ^ expected named lifetime parameter
|
help: consider introducing a named lifetime parameter結構體方法的標註
struct ImportantExcerpt<'a> {
part: &'a str,
}
impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
fn announce_and_return_part(&self, announcement: &str) -> &str {
println!("Attention please: {}", announcement);
self.part
}
}結構體方法的標註語法要在 impl 關鍵字後寫上 <'a>, 並在結構體名後使用。這個例子中並沒有在 announce_and_return_part 中標註，這裏引出另一條規則 如果方法有多個輸入生命週期參數並且其中一個參數是 &self 或 &mut self，說明是個對象的方法 (method), 那麼所有輸出生命週期參數被賦予 self 的生命週期
假如把 announce_and_return_part 返回值換成 announcement 就會報錯
9 | fn announce_and_return_part(&self, announcement: &str) -> &str {
| ---- ----
| |
|this parameter and the return type are declared with different lifetimes...
...
12 |announcement
| ^^^^^^^^^^^^ ...but data from `announcement` is returned here這時需要顯示的指定來協助編譯器來完成檢查，指定 lifetime. 另外涉及子類型，協變，逆變時生命週期會更復雜一些，感興趣的可以參考 nomicon[2] 官方文檔
小結
雜七雜八寫了一大堆，建議大家還是上手多練，多琢磨。以前剛學 rust 時，有人說編譯不過的話，生命週期就加 ''a', 數據就多用 clone
其實呢，**還是要理解本質，和 Go GC 運行期遍歷不同，檢查器要在編譯期確定資源何時何處釋放，就需要收集額外的信息。比如說，結構對象有個引用字段。如果無法確認它的生命週期，那麼結構對象釋放時，是否要釋放該字段？還是說該字段可以提前自動釋放，是否導致懸垂引用？**顯然，這違反了安全規則
再次強調，Rust 爲了所謂的零運行時成本，把很多 GC 語言的工作放到了編譯期
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參考資料
[1]
the rust book: https://doc.rust-lang.org/book/ch10-03-lifetime-syntax.html,
[2]
subtyping-and-variance: https://doc.rust-lang.org/nomicon/subtyping.html#subtyping-and-variance,
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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/tX4ghbGuY3p25t1HofPCIg