认识生命周期

此笔记记录于Rust Course，大多数为其中的摘要，少数为笔者自己的理解

生命周期，简而言之就是引用的有效作用域。在大多数时候，我们无需手动的声明生命周期，因为编译器可以自动进行推导，用类型来类比下：

• 就像编译器大部分时候可以自动推导类型 <-> 一样，编译器大多数时候也可以自动推导生命周期
• 在多种类型存在时，编译器往往要求我们手动标明类型 <-> 当多个生命周期存在，且编译器无法推导出某个引用的生命周期时，就需要我们手动标明生命周期

悬垂指针与生命周期

生命周期的主要作用是避免悬垂引用，它会导致程序引用了本不该引用的数据：

{
    let r;

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

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

这段代码有几点值得注意:

• let r; 的声明方式貌似存在使用 null 的风险，实际上，当我们不初始化它就使用时，编译器会给予报错
• r 引用了内部花括号中的 x 变量，但是 x 会在内部花括号 } 处被释放，因此回到外部花括号后，r 会引用一个无效的 x

此处 r 就是一个悬垂指针，它引用了提前被释放的变量 x，可以预料到，这段代码会报错

修改：

{
    let x = 5;            // ----------+-- 'b
                          //           |
    let r = &x;           // --+-- 'a  |
                          //   |       |
    println!("r: {}", r); //   |       |
                          // --+       |
}                         // ----------+

现在 x 的生命周期 'b 大于 r 的生命周期 'a，因此 r 对 x 的引用是安全的。

函数中的生命周期

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
    }
}

这段代码会报错，主要是编译器无法知道该函数的返回值到底引用 x 还是 y ，因为编译器需要知道这些，来确保函数调用后的引用生命周期分析。

生命周期标注语法

基本介绍

生命周期标注并不会改变任何引用的实际作用域

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。例如一个变量，只能活一个花括号，那么就算你给它标注一个活全局的生命周期，它还是会在前面的花括号结束处被释放掉，并不会真的全局存活。

&i32        // 一个引用
&'a i32     // 具有显式生命周期的引用
&'a mut i32 // 具有显式生命周期的可变引用

fn useless<'a>(first: &'a i32, second: &'a i32) {}

此处生命周期标注仅仅说明，这两个参数 first 和 second 至少活得和'a 一样久，至于到底活多久或者哪个活得更久，抱歉我们都无法得知。

函数签名中的生命周期标注

继续之前的 longest 函数，从两个字符串切片中返回较长的那个：

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

需要注意的点如下：

• 和泛型一样，使用生命周期参数，需要先声明 <'a>
• x、y 和返回值至少活得和 'a 一样久(因为返回值要么是 x，要么是 y)

这里相当于就是告诉编译器，longest 函数并不知道 x 和 y 具体会活多久，只要知道它们的作用域至少能持续 'a 这么长就行。

当把具体的引用传给 longest 时，那生命周期 'a 的大小就是 x 和 y 的作用域的重合部分，换句话说，'a 的大小将等于 x 和 y 中较小的那个。由于返回值的生命周期也被标记为 'a，因此返回值的生命周期也是 x 和 y 中作用域较小的那个。

这意味着，返回的引用不会比输入参数x或y存在的时间更长。换句话说，你不能返回一个在函数结束后可能不再存在的引用。这就是生命周期参数在这个函数中的作用。

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);
    }
}

在上例中，string1 的作用域直到 main 函数的结束，而 string2 的作用域到内部花括号的结束 }，那么根据之前的理论，'a 是两者中作用域较小的那个，也就是 'a 的生命周期等于 string2 的生命周期，同理，由于函数返回的生命周期也是 'a，可以得出函数返回的生命周期也等于 string2 的生命周期。

因此，在这种情况下，通过生命周期标注，编译器得出了和我们肉眼观察一样的结论，而不再是一个蒙圈的大聪明。

因为如果不用生命周期标注，编译器就会担心 result 还会在{}外面，及string2生命周期外面使用，而编译器又不确定longest到底返回谁的引用，如果返回string2的引用，又在string2生命周期外使用，就肯定不对，像下面这样就是编译器担心的情况：

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);
}

结构体中的生命周期

之前为什么不在结构体中使用字符串字面量或者字符串切片，而是统一使用 String 类型？原因很简单，后者在结构体初始化时，只要转移所有权即可，而前者，抱歉，它们是引用，它们不能为所欲为。

既然已经理解了生命周期，那么意味着在结构体中使用引用也变得可能：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,
    };
}

该生命周期标注<'a>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。

生命周期相当于TS中的as <type>，你人为确定这个引用对应的数据能存活多久，并不需要那个傻傻的编译器来判断，为了避免编译器报错，加上这个标注即可。

生命周期消除

引入

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[..]
}

对于编译器来说，每一个引用类型都有一个生命周期。该函数的参数和返回值都是引用类型，尽管我们没有显式的为其标注生命周期，编译依然可以通过。其实原因不复杂，编译器为了简化用户的使用，运用了生命周期消除大法。

在开始之前有几点需要注意：

• 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

三条消除规则

编译器使用三条消除规则来确定哪些场景不需要显式地去标注生命周期。其中第一条规则应用在输入生命周期上，第二、三条应用在输出生命周期上。若编译器发现三条规则都不适用时，就会报错，提示你需要手动标注生命周期。

1）每一个引用参数都会获得独立的生命周期

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。

例子

方法中的生命周期

实际上，为具有生命周期的结构体实现方法时，我们使用的语法跟泛型参数语法很相似：

struct ImportantExcerpt<'a> {
    part: &'a str,
}

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn level(&self) -> i32 {
        3
    }
}

其中有几点需要注意的：

• impl 中必须使用结构体的完整名称，包括 <'a>，因为_生命周期标注也是结构体类型的一部分_！
• 方法签名中，往往不需要标注生命周期，得益于生命周期消除的第一和第三规则

下面的例子展示了第三规则应用的场景：

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
    }
}

在结束这块儿内容之前，再来做一个有趣的修改，将方法返回的生命周期改为'b：

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

此时，编译器会报错，因为编译器无法知道 'a 和 'b 的关系。 &self 生命周期是 'a，那么 self.part 的生命周期也是 'a，但是好巧不巧的是，我们手动为返回值 self.part 标注了生命周期 'b，因此编译器需要知道 'a 和 'b 的关系。

有一点很容易推理出来：由于 &'a self 是被引用的一方，因此引用它的 &'b str 必须要活得比它短，否则会出现悬垂引用。因此说明生命周期 'b 必须要比 'a 小，只要满足了这一点，编译器就不会再报错：

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

就关键点稍微解释下：

• '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
    }
}

静态生命周期

在 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和整个程序活得一样久。

let s: &'static str = "我没啥优点，就是活得久，嘿嘿";

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