Rust-借用和生命周期

生命周期

一个变量的生命周期就是它从创建到销毁的整个过程。其实我们在前面已经注意到了这样的现象：

然而，如果一个变量永远只能有唯一一个入口可以访问的话，那就太难使用了。因此，所有权还可以借用。

借用

变量对其管理的内存拥有所有权。这个所有权不仅可以被转移(move),还可以被借用(borrow)。

借用指针的语法使用&符号或者&mut符号表示。前者表示只读借用，后者表示可读写借用。借用指针(borrow pointer)也可以称作"引用"(reference)。借用指针与普通指针的内部数据是一模一样的，唯一的区别是语义层面上的。它的作用是告诉编译器，它对指向的这块内存区域没有所有权。

这里会出现编译错误，信息为"cannot borrow immutable borrowed content'*v'as mutable"。原因在于Vec::push函数。它的作用是对动态数组添加元素，它的签名是

pub fn push(&mut self,value:T)

它要求self参数是一个&mut Self类型。而我们给foo传递的参数是&Vec类型，因此会报错。修复方式如下：

对于&mut型指针，请大家注意不要混淆它与变量绑定之间的语法。

如果mut修饰的是变量名，那么它代表这个变量可以被重新绑定；如果mut修饰的是"借用指针&",那么它代表的是被指向的对象可以被修改。示例如下：

借用规则

关于借用指针，有以下几个规则：

• 借用指针不能比它指向的变量存在的时间更长。
• &mut型借用只能指向本身具有mut修饰的变量，对于只读变量，不可以有&mut型借用。
• &mut型借用指针存在的时候，被借用的变量本身会处于"冻结"状态。
• 如果只有&型借用指针，那么能同时存在多个；如果存在&mut型借用指针，那么只能存在一个；如果同时有其他的&或者&mut型借用指针存在，那么会出现编译错误。

借用指针只能临时地拥有对这个变量读或写的权限，没有义务管理这个变量的生命周期。因此，借用指针的生命周期绝对不能大于它所引用的原来变量的生命周期，否则就是悬空指针，会导致内存不安全。示例如下：

在这里给大家提个醒：一般情况下，函数参数使用引用传递的时候，不仅在函数声明这里要写上类型参数，在函数调用这里也要显式地使用引用运算符。

但是，有一个例外，那就是当参数为self &self &mut self等时，若使用小数点语法调用成员方法，在函数调用这里不能显式写出借用运算符。以常见的String类型来举例：

在这个示例中，所有的函数调用都是同样的语法，比如x.len()、x.push('!')、x.into_bytes()等，但它们背后对self参数的传递类型完全不同，因此也就出现了不同的语义。

这是需要提醒大家注意的地方。当然，如果我们使用统一的完整函数调用语法，那么所有的参数传递类型在调用端都是显式写出来的。

任何借用指针的存在，都会导致原来的变量被"冻结"(Frozen)。示例如下：

编译结果为：

error:cannot assign to `x^because it is borrowed

因为p的存在，此时对x的改变被认为是非法的。

生命周期标记

对一个函数内部的生命周期进行分析，Rust编译器可以很好地解决。但是，当生命周期跨函数的时候，就需要一种特殊的生命周期标记符号了。

函数的生命周期标记

生命周期符号使用单引号开头，后面跟一个合法的名字。生命周期标记和泛型类型参数是一样的，都需要先声明后使用。在上面这段代码中，尖括号里面的'a是声明一个生命周期参数，它在后面的参数和返回值中被使用。

前面提到的借用指针类型都有一个生命周期泛型参数，它们的完整写法应该是&'a T &'a mut T,只不过在做局部变量的时候，生命周期参数是可以省略的。

生命周期之间有重要的包含关系。如果生命周期'a比'b更长或相等，则记为'a : 'b,意思是'a至少不会比'b短，英语读做"lifetime a outlives lifetime b"。对于借用指针类型来说，如果&'a是合法的，那么'b作为'a的一部分，&'b也一定是合法的。

另外，'static是一个特殊的生命周期，它代表的是这个程序从开始到结束的整个阶段，所以它比其他任何生命周期都长。这意味着，任意一个生命周期'a都满足'static : 'a。

在上面这个例子中，如果我们把变量t的真实生命周期记为't,那么这个生命周期't实际上是变量t从"出生"到"死亡"的区间。在函数被调用的时候，它传人的实际参数是&t,它是指向t的引用。那么可以说，在调用的时候，这个泛型参数'a被实例化为了't。根据函数签名，基于返回类型的生命周期与参数是一致的，可以推理出test函数的返回类型是&'t i32。

如果我们把x的生命周期记为'x。这条let x =text(&t);语句实际上是把&'t i32类型的变量赋值给&'x i32类型的变量。这个赋值是否合理呢?它应该是合理的。因为这两个生命周期的关系是't: 'x。test返回的那个指针在't这个生命周期范围内都是合法的，在一个被't包围的更小范围的生命周期内，它当然也是合法的。所以，上面这个例子可以编译通过。

接下来，我们把上面这个例子稍作修改，让test函数有两个生命周期参数，其中一个给函数参数使用，另外一个给返回值使用：

编译时果然出了问题，在&arg.member这一行，报了生命周期错误。这是为什么呢?因为这一行代码是把&'a i32类型赋值给&'b i32类型。

'a和'b有什么关系?答案是什么关系都没有。所以编译器觉得这个赋值是错误的。

怎么修复呢?指定'a:'b就可以了。'a比'b"活"得长，自然，&'a i32类型赋值给&'b i32类型是没问题的。

验证如下：

经过这样的改写后，我们可以认为，在test函数被调用的时候，生命周期参数'a和'b被分别实例化为了't和'x。

它们刚好满足了where条件中的't:'x约束。而&arg.member这条表达式的类型是&'t i32,返回值要求的是&'x i32类型，可见这也是合法的。

所以test函数的生命周期检查可以通过。

上述示例是读者比较难理解的地方。以下两种写法都是可行的：

这里的关键是，Rust的引用类型是支持"协变"的。

在编译器眼里，生命周期就是一个区间，生命周期参数就是一个普通的泛型参数，它可以被特化为某个具体的生命周期。

我们再看一个例子。它有两个引用参数，共享同一个生命周期标记：

上述示例中，select这个函数引入了一个生命周期标记，两个参数以及返回值都是用的这个生命周期标记。同时我们注意到，在调用的时候，传递的实参其实是具备不同的生命周期的。

x的生命周期明显大于y的生命周期，&x可存活的范围要大于&y可存活的范围，我们把它们的实际生命周期分别记录为'x和'y。

select函数的形式参数要求的是同样的生命周期，而实际参数是两个不同生命周期的引用，这个类型之所以可以匹配成功，就是因为生命周期的协变特性。

编译器可以把&x和&y的生命周期都缩小到某个生命周期'a以内，且满足'x:'a,'y:'a。返回的selected变量具备'a生命周期，也并没有超过'x和'y的范围。所以，最终的生命周期检查可以通过。

类型的生命周期标记

如果自定义类型中有成员包含生命周期参数，那么这个自定义类型也必须有生命周期参数。示例如下：

在使用impl的时候，也需要先声明再使用：

impl后面的那个't是用于声明生命周期参数的，后面的Test<'t>是在类型中使用这个参数。

如果有必要的话，方法中还能继续引入新的泛型参数。

如果在泛型约束中有where T:'a之类的条件，其意思是，类型T的所有生命周期参数必须大于等于'a。

要特别说明的是，若是有where T:'static的约束，意思则是，类型T里面不包含任何指向短生命周期的借用指针，意思是要么完全不包含任何借用，要么可以有指向'static的借用指针。

省略生命周期标记

在某些情况下，Rust允许我们在写函数的时候省略掉显式生命周期标记。

在这种时候，编译器会通过一定的固定规则为参数和返回值指定合适的生命周期，从而省略一些显而易见的生命周期标记。比如我们可以写这样的代码：

实际上，它等同于下面这样的代码，只是把显式的生命周期标记省略掉了而已：