Rust-Learning-4

Rust学习进阶。

生命周期

生命周期的主要目标是避免悬垂引用，它会导致程序引用了非预期引用的数据。

{
    let r;

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

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

例如上面的程序

外部作用域声明了一个没有初值的变量 r，而内部作用域声明了一个初值为 5 的变量x。在内部作用域中，我们尝试将 r 的值设置为一个 x 的引用。接着在内部作用域结束后，尝试打印出 r 的值。这段代码不能编译因为 r 引用的值在尝试使用之前就离开了作用域。如下是错误信息：

error[E0597]: `x` does not live long enough
  --> src/main.rs:7:5
   |
6  |         r = &x;
   |              - borrow occurs here
7  |     }
   |     ^ `x` dropped here while still borrowed
...
10 | }
   | - borrowed value needs to live until here

Rust 编译器有一个 借用检查器（borrow checker），它比较作用域来确保所有的借用都是有效的。

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

这里将 r 的生命周期标记为 'a 并将 x 的生命周期标记为 'b。如你所见，内部的 'b 块要比外部的生命周期 'a 小得多。在编译时，Rust 比较这两个生命周期的大小，并发现 r 拥有生命周期 'a，不过它引用了一个拥有生命周期 'b 的对象。程序被拒绝编译，因为生命周期 'b 比生命周期 'a 要小：被引用的对象比它的引用者存在的时间更短。

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：

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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：

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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：

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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：

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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。

1	`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：

输出值依赖哪些输入值。
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：

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struct Person {
    age: &u8,
}

编译时我们会得到一个error：

1 2	`<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：

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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：

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<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。

Skill

#Rust #Programming Language

Rust-Learning-4

http://blog.chivier.site/2019-04-09/2021/Rust-Learning-4/

Author

Chivier Humber

Posted on

April 9, 2019

Licensed under

Operating System Concept - 1 Previous

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