30 天拿下 Rust 之生命周期

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概述

在 Rust 中，生命周期是一个非常重要的概念，是保证内存安全和防止悬垂引用的核心机制之一。通过精确地跟踪引用的生命周期，Rust 能够在编译阶段就防止许多其他语言在运行时才会遇到的内存问题。在 Rust 中，生命周期代表了引用的有效时间段。当我们创建一个引用时，它有一个关联的生命周期，表示这个引用能有效使用的开始时间和结束时间。大多数情况下，Rust 编译器能够自动推断出引用的生命周期。但在某些复杂情况下，我们需要手动标注生命周期以避免潜在的错误。

生命周期与引用

Rust 中的引用是通过借用机制实现的，借用允许我们在不拥有数据所有权的情况下访问数据。然而，为了避免数据竞争和悬垂引用，Rust 对引用的使用施加了严格的规则。

悬垂引用是指引用指向的内存已经被释放，但引用本身仍然存在的情况。这种引用是无效的，因为它指向了一个不再存在的内存地址。为了避免悬垂引用，Rust 的生命周期机制确保了在引用保持有效的作用域内，被引用的数据不会被释放。

让我们来看看下面的示例代码。

fn main() {    let ref_number;
    {        let number = 5;        // 编译错误，提示：borrowed value does not live long enough        ref_number = &number;    }
    println!("{}", ref_number);}

在上面的示例代码中，我们尝试在块外使用一个指向块内变量的引用，这会导致编译错误。具体来说，number 是在一个在块内部声明的变量，它的生命周期仅限于该块内。当块结束时，number 的生命周期也随之结束。这意味着，任何指向 number 的引用（在这里是 ref_number）都会变得无效。

尝试编译这段示例代码会导致编译错误，因为 ref_number 试图在 number 的生命周期之外访问它。Rust 的借用检查器会捕捉到这种错误，防止悬垂引用的产生。

生命周期的自动推断

在 Rust 中，生命周期的自动推断是一种强大的特性。它允许编译器在不需要程序员显式标注生命周期的情况下，自动确定引用的有效范围。这种推断，基于 Rust 的所有权规则和借用检查器的工作方式。在以下几种情况下，Rust 编译器可以自动推断生命周期。

1、局部变量的生命周期。局部变量在其声明的作用域内有效，编译器会确保任何引用该变量的代码都在其作用域内执行。

fn main() {    let x = 66;    let y = &x;    println!("{}", y);}

在上面的示例代码中，Rust 编译器自动推断出 y 的生命周期与 x 相同，即：main 函数的整个作用域。

2、函数参数和返回值的生命周期。当函数接受或返回引用时，编译器会基于参数或返回值的上下文来推断引用的生命周期。

fn print_ref(text: &str) {    println!("{}", text);}
fn main() {    let msg = "Hello World";    print_ref(msg);}

在上面的示例代码中，Rust 编译器自动推断出 msg 的生命周期至少持续到 print_ref 调用结束。

在这些例子中，尽管我们没有显式标注生命周期参数，Rust 编译器仍然能够自动推断出正确的生命周期。这得益于 Rust 的类型系统和借用检查器，它们共同工作以确保引用的安全性和有效性。

然而，需要注意的是，尽管自动推断在大多数情况下有效，但在某些复杂场景下，Rust 编译器可能无法确定正确的生命周期，或者推断出的生命周期不是我们所期望的。在这些情况下，我们需要显式标注生命周期参数来指导 Rust 编译器。

生命周期的手动标注

下面的示例函数接受两个字符串切片的引用，并返回它们中较长的一个。

fn get_longer_string(str1: &str, str2: &str) -> &str {    if str1.len() > str2.len() {        str1    } else {        str2    }}

这个函数看起来很简单，但它无法编译通过，会提示类似下面的编译错误：expected named lifetime parameter。这是因为，Rust 编译器无法确定返回的字符串切片的生命周期。由于 str1 和 str2 的生命周期可能是不同的，而函数返回的是指向其中一个字符串切片的引用。如果返回的引用的生命周期超出了原始字符串切片的生命周期，就会导致悬垂引用。

为了解决这个问题，我们需要使用生命周期注解来明确指定返回值的生命周期。

生命周期注解的基本形式是一个撇号'后跟一个标识符，比如：'a、'b 等。这些标识符不是变量名，而是用来代表生命周期参数的抽象名称。在泛型函数、结构体、枚举或方法定义中，我们可以使用生命周期注解来指定引用的生命周期。

使用生命周期注解修改 get_longer_string()函数后，得到了下面的示例代码。

fn get_longer_string<'a>(str1: &'a str, str2: &'a str) -> &'a str {    if str1.len() > str2.len() {        str1    } else {        str2    }}

在上面的示例代码中，'a 是一个生命周期注解，它表示 str1 和 str2 引用的字符串必须具有相同的生命周期，且返回的字符串引用也必须具有相同的生命周期。

当 Rust 的结构体中包含引用类型的字段时，一般也需要在结构体定义中使用生命周期注解来确保引用的有效性。

struct MessageInfo<'a> {    text: &'a str,}
fn main() {    let value = "Hello World";    let msg_info = MessageInfo { text: &value };    println!("{}", msg_info.text);}

在上面的示例代码中，MessageInfo 结构体有一个名为 text 的字段，它是一个字符串引用（&str）。生命周期标注'a 用于指定 text 字段引用的生命周期。这意味着，MessageInfo 实例的 text 字段必须引用一个至少与 MessageInfo 实例本身生命周期一样长的字符串。在 main 函数中，我们创建了一个字符串 value，并创建了一个 MessageInfo 实例，其 text 字段引用了 value。由于 value 的生命周期是整个 main 函数的执行期间，因此它可以安全地被 MessageInfo 实例引用。

总结

总的来说，Rust 的生命周期自动推断是一种强大的特性，它简化了代码编写并提高了安全性。在大多数情况下，程序员可以依赖自动推断来管理引用的生命周期，而无需手动标注。但在某些特定情况下，显式标注生命周期参数可能是必要的。