rust生命周期详解

rust生命周期

生命周期是rust中用来规定引用的有效作用域。在大多数时候，无需手动声明，因为编译器能够自动推导。当编译器无法自动推导出生命周期的时候，就需要我们手动标明生命周期。生命周期主要是为了避免悬垂引用。

借用检查

rust的编译器会使用借用检查器来检查我们程序的借用正确性。例如：

#![allow(unused)]
fn main() {
{
    let r;

    {
        let x = 5;
        r = &x;
    }

    println!("r: {}", r);
}
}

在编译期，Rust 会比较两个变量的生命周期，结果发现 r 明明拥有生命周期 'a，但是却引用了一个小得多的生命周期 'b，在这种情况下，编译器会认为我们的程序存在风险，因此拒绝运行。

函数中的生命周期

#![allow(unused)]
fn main() {
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}
}

执行这段代码，rust编译器会报错，它给出的help信息如下：

help: this function's return type contains a borrowed value, but the signature does not say whether it is borrowed from `x` or `y`

意思是函数返回类型是一个借用值，但是无法从函数的签名中得知返回值是从x还是y借用的。并且给出了相应的修复代码。

4 | fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str
  |           ++++     ++          ++          ++

按照这个提示，我们更改函数声明。就会发现可以顺利通过编译。因此，像这样的函数，我们无法判断它是返回x还是y，那么只好手动进行生命周期声明。上面的提示就是手动声明声明周期的语法。

手动声明生命周期

需要注意的是，标记的生命周期只是为了取悦编译器，让编译器不要难为我们，它不会改变任何引用的实际作用域。

生命周期的语法是以’开头，名称往往是一个单独的小写字母。大多数人用’a来作为生命周期的名称。如果是引用类型的参数，生命周期会位于&之后，并用空格来将生命周期和参数分隔开。函数签名中的生命周期标注和泛型一样，需要在提前声明生命周期。例如我们刚才修改过的函数签名

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str

该函数签名表明对于某些生命周期 'a，函数的两个参数都至少跟 'a 活得一样久，同时函数的返回引用也至少跟 'a 活得一样久。实际上，这意味着返回值的生命周期与参数生命周期中的较小值一致：虽然两个参数的生命周期都是标注了 'a，但是实际上这两个参数的真实生命周期可能是不一样的(生命周期 'a 不代表生命周期等于 'a，而是大于等于 'a)。例如：

fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");

    {
        let string2 = String::from("xyz");
        let result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
        println!("The longest string is {}", result);
    }
}

result 的生命周期等于参数中生命周期最小的，因此要等于 string2 的生命周期，也就是说，result 要活得和 string2 一样久。如过我们将上面的代码改变为如下所示。

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);
}

那么将会导致错误，因为编译器知道string2活不到最后一行打印。而string1可以活到打印，但是编译器并不知道longest返回的是谁。
函数的返回值如果是一个引用类型，那么它的生命周期只会来源于：

• 函数参数的生命周期
• 函数体中某个新建引用的生命周期

若是后者情况，就是典型的悬垂引用场景：

#![allow(unused)]
fn main() {
fn longest<'a>(x: &str, y: &str) -> &'a str {
    let result = String::from("really long string");
    result.as_str()
}
}

上面的函数的返回值就和参数 x，y 没有任何关系，而是引用了函数体内创建的字符串，而函数结束的时候会自动释放result的内存，从而导致悬垂指针。这种情况，最好的办法就是返回内部字符串的所有权，然后把字符串的所有权转移给调用者：

fn longest<'a>(_x: &str, _y: &str) -> String {
    String::from("really long string")
}

fn main() {
   let s = longest("not", "important");
}

结构体中的生命周期

在结构体中使用引用，只要为结构体中的每一个引用标注上生命周期即可。

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,
    };
}

part引用的first_sentence来自于novel，它的生命周期是main函数，因此这段代码可以正常工作。
ImportantExcerpt 结构体中有一个引用类型的字段 part，因此需要为它标注上生命周期。结构体的生命周期标注语法跟泛型参数语法很像，需要对生命周期参数进行声明 <'a>。该生命周期标注说明，结构体 ImportantExcerpt 所引用的字符串 str 必须比该结构体活得更久。

生命周期消除

编译器为了简化用户的使用，运用了生命周期消除大法。例如：

fn first_word(s: &str) -> &str {
    let bytes = s.as_bytes();

    for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() {
        if item == b' ' {
            return &s[0..i];
        }
    }

    &s[..]
}

对于 first_Word 函数，它的返回值是一个引用类型，那么该引用只有两种情况：

• 从参数获取
• 从函数体内部新创建的变量获取

如果是后者，就会出现悬垂引用，最终被编译器拒绝，因此只剩一种情况：返回值的引用是获取自参数，这就意味着参数和返回值的生命周期是一样的。道理很简单，我们能看出来，编译器自然也能看出来，因此，就算我们不标注生命周期，也不会产生歧义。

只不过，消除规则不是万能的，若编译器不能确定某件事是正确时，会直接判为不正确，那么你还是需要手动标注生命周期
函数或者方法中，参数的生命周期被称为 输入生命周期，返回值的生命周期被称为 输出生命周期。

三条消除原则

1.每一个引用参数都会获得独自的生命周期

例如一个引用参数的函数就有一个生命周期标注: fn foo<'a>(x: &'a i32)，两个引用参数的有两个生命周期标注:fn foo<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32), 依此类推。

2.若只有一个输入生命周期(函数参数中只有一个引用类型)，那么该生命周期会被赋给所有的输出生命周期，也就是所有返回值的生命周期都等于该输入生命周期

例如函数 fn foo(x: &i32) -> &i32，x 参数的生命周期会被自动赋给返回值 &i32，因此该函数等同于 fn foo<'a>(x: &'a i32) -> &'a i32

3.若存在多个输入生命周期，且其中一个是 &self 或 &mut self，则 &self 的生命周期被赋给所有的输出生命周期。

拥有 &self 形式的参数，说明该函数是一个 方法，该规则让方法的使用便利度大幅提升。

让我们假装自己是编译器，然后看下以下的函数该如何应用这些规则：

例子1

fn first_word(s: &str) -> &str // 实际项目中的手写代码

首先，我们手写的代码如上所示时，编译器会先应用第一条规则，为每个参数标注一个生命周期：

fn first_word<'a>(s: &'a str) -> &str  // 编译器自动为参数添加生命周期

此时，第二条规则就可以进行应用，因为函数只有一个输入生命周期，因此该生命周期会被赋予所有的输出生命周期：

fn first_word<'a>(s: &'a str) -> &'a str  // 编译器自动为返回值添加生命周期

此时，编译器为函数签名中的所有引用都自动添加了具体的生命周期，因此编译通过，且用户无需手动去标注生命周期，只要按照 fn first_word(s: &str) -> &str的形式写代码即可。

例子2

fn longest(x: &str, y: &str) -> &str // 实际项目中的手写代码

首先，编译器会应用第一条规则，为每个参数都标注生命周期：

fn longest<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &str 

但是此时，第二条规则却无法被使用，因为输入生命周期有两个，第三条规则也不符合，因为它是函数，不是方法，因此没有 &self 参数。在套用所有规则后，编译器依然无法为返回值标注合适的生命周期，因此，编译器就会报错，提示我们需要手动标注生命周期。

例子3

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce_and_return_part(&self, announcement: &str) -> &str {
        println!("Attention please: {}", announcement);
        self.part
    }
}

首先，编译器应用第一规则，给予每个输入参数一个生命周期。

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce_and_return_part<'b>(&'a self, announcement: &'b str) -> &str {
        println!("Attention please: {}", announcement);
        self.part
    }
}

需要注意的是，编译器不知道 announcement 的生命周期到底多长，因此它无法简单的给予它生命周期 'a，而是重新声明了一个全新的生命周期 'b。接着，编译器应用第三规则，将 &self 的生命周期赋给返回值 &str

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce_and_return_part<'b>(&'a self, announcement: &'b str) -> &'a str {
        println!("Attention please: {}", announcement);
        self.part
    }
}

尽管我们没有给方法标注生命周期，但是在第一和第三规则的配合下，编译器依然完美的为我们亮起了绿灯。

生命周期约束

我们来看下面这个例子。将返回值的生命周期声明为’b，但是实际返回的是生命周期为’a的self.part。

impl<'a: 'b, 'b> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce_and_return_part(&'a self, announcement: &'b str) -> &'b str {
        println!("Attention please: {}", announcement);
        self.part
    }
}

• 'a: 'b，是生命周期约束语法，跟泛型约束非常相似，用于说明 'a 必须比 'b 活得久
• 可以把 'a 和 'b 都在同一个地方声明（如上），或者分开声明但通过 where 'a: 'b 约束生命周期关系，如下：

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn announce_and_return_part<'b>(&'a self, announcement: &'b str) -> &'b str
    where
        'a: 'b,
    {
        println!("Attention please: {}", announcement);
        self.part
    }
}

加上这个约束，告诉编译器’a活的比’b更久，引用’a不会产生悬垂指针（无效引用）。

静态生命周期

rust中有一个非常特殊的生命周期，那就是’static，拥有该生命周期的引用可以活的和整个程序一样久。实际上字符串字面值就拥有’static生命周期，它被硬编码进rust的二进制文件中。'static生命周期非常强大，随意使用它相当于放弃了生命周期检查。遇到因为生命周期导致的编译不通过问题，首先想的应该是：是否是我们试图创建一个悬垂引用，或者是试图匹配不一致的生命周期，而不是简单粗暴的用 'static 来解决问题。除非实在遇到解决不了的生命周期标注问题，可以尝试’static生命周期。例如：

fn t() -> &'static str{
    "qwert"
}

fn t() -> &'static str{
    "qwert"
}

注意，使用’static生命周期的时候，不需要提前声明。

一个复杂例子: 泛型，特征约束以及生命周期

use std::fmt::Display;

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
    }
}

例子中，包含了生命周期’a，泛型T以及对T的约束Display（因为我们需要打印ann）。

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