可变性、所有权、租借和生命期 - 生命周期

下面是一个资源借用的例子：

fn main() {
    let a = 100_i32;
    {
        let x = &a;
    }  // x 作用域结束
    println!("{}", x);
}

编译时，我们会看到一个严重的错误提示：

error: unresolved name x.

错误的意思是“无法解析 x 标识符”，也就是找不到 x , 这是因为像很多编程语言一样，Rust中也存在作用域概念，当资源离开离开作用域后，资源的内存就会被释放回收，当借用/引用离开作用域后也会被销毁，所以 x 在离开自己的作用域后，无法在作用域之外访问。

上面的涉及到几个概念：

• Owner: 资源的所有者 a
• Borrower: 资源的借用者 x
• Scope: 作用域，资源被借用/引用的有效期

强调下，无论是资源的所有者还是资源的借用/引用，都存在在一个有效的存活时间或区间，这个时间区间称为生命周期， 也可以直接以Scope作用域去理解。

所以上例子代码中的生命周期/作用域图示如下：

            {    a    {    x    }    *    }
所有者 a:         |________________________|
借用者 x:                   |____|            x = &a
  访问 x:                             |       失败：访问 x

可以看到，借用者 x 的生命周期是资源所有者 a 的生命周期的子集。但是 x 的生命周期在第一个 } 时结束并销毁，在接下来的 println! 中再次访问便会发生严重的错误。

我们来修正上面的例子：

fn main() {
    let a = 100_i32;
    {
        let x = &a;
        println!("{}", x);
    }  // x 作用域结束
}

这里我们仅仅把 println! 放到了中间的 {}, 这样就可以在 x的生命周期内正常的访问 x ，此时的Lifetime图示如下：

            {    a    {    x    *    }    }
所有者 a:         |________________________|
借用者 x:                   |_________|       x = &a
  访问 x:                        |            OK：访问 x

隐式Lifetime

我们经常会遇到参数或者返回值为引用类型的函数：

fn foo(x: &str) -> &str {
    x
}

上面函数在实际应用中并没有太多用处，foo 函数仅仅接受一个 &str 类型的参数（x为对某个string类型资源Something的借用），并返回对资源Something的一个新的借用。

实际上，上面函数包含该了隐性的生命周期命名，这是由编译器自动推导的，相当于：

fn foo<'a>(x: &'a str) -> &'a str {
    x
}

在这里，约束返回值的Lifetime必须大于或等于参数x的Lifetime。下面函数写法也是合法的：

fn foo<'a>(x: &'a str) -> &'a str {
    "hello, world!"
}

为什么呢？这是因为字符串”hello, world!”的类型是&'static str，我们知道static类型的Lifetime是整个程序的运行周期，所以她比任意传入的参数的Lifetime'a都要长，即'static >= 'a满足。

在上例中Rust可以自动推导Lifetime，所以并不需要程序员显式指定Lifetime 'a 。

'a是什么呢？它是Lifetime的标识符，这里的a也可以用b、c、d、e、…，甚至可以用this_is_a_long_name等，当然实际编程中并不建议用这种冗长的标识符，这样会严重降低程序的可读性。foo后面的<'a>为Lifetime的声明，可以声明多个，如<'a, 'b>等等。

另外，除非编译器无法自动推导出Lifetime，否则不建议显式指定Lifetime标识符，会降低程序的可读性。

显式Lifetime

当输入参数为多个借用/引用时会发生什么呢？

fn foo(x: &str, y: &str) -> &str {
    if true {
        x
    } else {
        y
    }
}

这时候再编译，就没那么幸运了：

error: missing lifetime specifier [E0106]
fn foo(x: &str, y: &str) -> &str {
                            ^~~~

编译器告诉我们，需要我们显式指定Lifetime标识符，因为这个时候，编译器无法推导出返回值的Lifetime应该是比 x长，还是比y长。虽然我们在函数中中用了 if true 确认一定可以返回x，但是要知道，编译器是在编译时候检查，而不是运行时，所以编译期间会同时检查所有的输入参数和返回值。

修复后的代码如下：

fn foo<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if true {
        x
    } else {
        y
    }
}

Lifetime推导

要推导Lifetime是否合法，先明确两点：

• 输出值（也称为返回值）依赖哪些输入值
• 输入值的Lifetime大于或等于输出值的Lifetime (准确来说：子集，而不是大于或等于)

Lifetime推导公式：
当输出值R依赖输入值X Y Z …，当且仅当输出值的Lifetime为所有输入值的Lifetime交集的子集时，生命周期合法。

    Lifetime(R) ⊆ ( Lifetime(X) ∩ Lifetime(Y) ∩ Lifetime(Z) ∩ Lifetime(...) )

对于例子1：

fn foo<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if true {
        x
    } else {
        y
    }
}

因为返回值同时依赖输入参数x和y，所以

    Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    即：
    'a ⊆ ('a ∩ 'a)  // 成立

定义多个Lifetime标识符

那我们继续看个更复杂的例子，定义多个Lifetime标识符：

fn foo<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
    if true {
        x
    } else {
        y
    }
}

先看下编译，又报错了：

<anon>:5:3: 5:4 error: cannot infer an appropriate lifetime for automatic coercion due to conflicting requirements [E0495]
<anon>:5         y
                 ^
<anon>:1:1: 7:2 help: consider using an explicit lifetime parameter as shown: fn foo<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str
<anon>:1 fn bar<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
<anon>:2     if true {
<anon>:3         x
<anon>:4     } else {
<anon>:5         y
<anon>:6     }

编译器说自己无法正确地推导返回值的Lifetime，读者可能会疑问，“我们不是已经指定返回值的Lifetime为'a了吗？”。

这儿我们同样可以通过生命周期推导公式推导：

因为返回值同时依赖x和y，所以

    Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    即：
    'a ⊆ ('a ∩ 'b)  //不成立

很显然，上面我们根本没法保证成立。

所以，这种情况下，我们可以显式地告诉编译器'b比'a长（'a是'b的子集），只需要在定义Lifetime的时候, 在'b的后面加上: 'a, 意思是'b比'a长，'a是'b的子集:

fn foo<'a, 'b: 'a>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
    if true {
        x
    } else {
        y
    }
}

这里我们根据公式继续推导：

    条件：Lifetime(x) ⊆ Lifetime(y)
    推导：Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    即：
    条件： 'a ⊆ 'b
    推导：'a ⊆ ('a ∩ 'b) // 成立

上面是成立的，所以可以编译通过。

推导总结

通过上面的学习相信大家可以很轻松完成Lifetime的推导，总之，记住两点：

1. 输出值依赖哪些输入值。
2. 推导公式。

Lifetime in struct

上面我们更多讨论了函数中Lifetime的应用，在struct中Lifetime同样重要。

我们来定义一个Person结构体：

struct Person {
    age: &u8,
}

编译时我们会得到一个error：

<anon>:2:8: 2:12 error: missing lifetime specifier [E0106]
<anon>:2     age: &str,

之所以会报错，这是因为Rust要确保Person的Lifetime不会比它的age借用长，不然会出现Dangling Pointer的严重内存问题。所以我们需要为age借用声明Lifetime：

struct Person<'a> {
    age: &'a u8,
}

不需要对Person后面的<'a>感到疑惑，这里的'a并不是指Person这个struct的Lifetime，仅仅是一个泛型参数而已，struct可以有多个Lifetime参数用来约束不同的field，实际的Lifetime应该是所有fieldLifetime交集的子集。例如：

fn main() {
    let x = 20_u8;
    let stormgbs = Person {
                        age: &x,
                     };
}

这里，生命周期/Scope的示意图如下：

                  {   x    stormgbs      *     }
所有者 x:              |________________________|
所有者 stormgbs:                |_______________|  'a
借用者 stormgbs.age:            |_______________|  stormgbs.age = &x

既然<'a>作为Person的泛型参数，所以在为Person实现方法时也需要加上<'a>，不然：

impl Person {
    fn print_age(&self) {
        println!("Person.age = {}", self.age);
    }
}

报错：

<anon>:5:6: 5:12 error: wrong number of lifetime parameters: expected 1, found 0 [E0107]
<anon>:5 impl Person {
              ^~~~~~

正确的做法是：

impl<'a> Person<'a> {
    fn print_age(&self) {
        println!("Person.age = {}", self.age);
    }
}

这样加上<'a>后就可以了。读者可能会疑问，为什么print_age中不需要加上'a？这是个好问题。因为print_age的输出参数为()，也就是可以不依赖任何输入参数, 所以编译器此时可以不必关心和推导Lifetime。即使是fn print_age(&self, other_age: &i32) {...}也可以编译通过。

如果Person的方法存在输出值（借用）呢？

impl<'a> Person<'a> {
    fn get_age(&self) -> &u8 {
        self.age
    }
}

get_age方法的输出值依赖一个输入值&self，这种情况下，Rust编译器可以自动推导为：

impl<'a> Person<'a> {
    fn get_age(&'a self) -> &'a u8 {
        self.age
    }
}

如果输出值（借用）依赖了多个输入值呢？

impl<'a, 'b> Person<'a> {
    fn get_max_age(&'a self, p: &'a Person) -> &'a u8 {
        if self.age > p.age {
            self.age
        } else {
            p.age
        }
    }
}

类似之前的Lifetime推导章节，当返回值（借用）依赖多个输入值时，需显示声明Lifetime。和函数Lifetime同理。

其他

无论在函数还是在struct中，甚至在enum中，Lifetime理论知识都是一样的。希望大家可以慢慢体会和吸收，做到举一反三。

总结

Rust正是通过所有权、借用以及生命周期，以高效、安全的方式近乎完美地管理了内存。没有手动管理内存的负载和安全性，也没有GC造成的程序暂停问题。