深入理解 Rust 中的生命周期

生命周期的存在，是因为 Rust 的编译器还不足够智能，不能百分百识别是否存在悬垂指针。所以需要开发者显式地加上生命周期的标注，告诉编译器："我能行，我没问题，悬垂指针？不存在的！"

不求同生，但愿共死

经常在影视中看到磕头拜把子的时候，三柱高香一句口号："不求同年同月生，但求同年同月死"。

其实这句话就非常形象地点出了生命周期的核心要义，我们从一个例子说起, 写一个函数比较两个字符串的长度，返回更长的字符串:

rust 复制代码

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

fn main() {
    let x = String::from("Hello");
    let y = String::from("Rust");
    longest(&x, &y);
}

如果有其他编程语言的经验，这样的写法非常顺畅自然。但是在 Rust 中，这是编译不通过的:

rust 复制代码

$ cargo check
    Checking app v0.1.0 (/home/user/emo)
error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> src/main.rs:1:33
  |
1 | fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
  |               ----     ----     ^ expected named lifetime parameter
  |
  = help: this function's return type contains a borrowed value, but the signature does not say whether it is borrowed from `x` or `y`
help: consider introducing a named lifetime parameter
  |
1 | fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
  |           ++++     ++          ++          ++

错误的输出分为两部分：第一部分说明错误的原因，期待在返回值 &str 上加上生命周期的标注，第二部分告诉我们如何修改，修改前后的对比如下:

rust 复制代码

// 修改之前
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {}
// 修改之后
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {}

生命周期标注是通过泛型参数的形式来呈现的:

longest<'a>: 声明了一个生命周期参数 'a，当然你也可以任意命名，比如 'k、'geek、'duck，只是习惯上使用 'a, 如果有多个则 'a、'b、'c；
x: &'a str：表示参数 x 的生命周期是 'a, 当然 y 也一样；
-> &'a str: 表示返回值的生命周期也是 'a。

生命周期的标注并不影响程序的运行，只是因为编译器无法确定返回的引用是 x 还是 y, 也无法确定 x 和 y 这两兄弟谁活得更久一些，所以需要导演（开发者）告诉它：x 和 y 和返回值 &str 的寿命都是一样的，都是 'a，能够达到剧情效果，一同赴死。

但是，聪明的观众可以会有这样的疑问：这个程序，一眼看过去就知道 x 和 y 的生命周期是一样的，都在 main 函数中定义，是前后脚出生的，当 main 函数结束之后，也就销毁了。这么明显，为什么编译器不知道？

原因也很简单，因为观众有上帝视角，就像看一些宫斗言情剧一样，从第一集就能推导出结局，必然是傻白甜的女主吃尽苦头苦尽甘来......来做皇后。

编译器在编译 longest 函数的时候，并不会根据上下文中的作用域来确定其生命周期是否是借用安全的。这样做的成本非常高，编译复杂度上升，编译时间延长。所以，编译器并没有上帝视角，毕竟它不是万能的上帝。

我们来总结一下，不管 x 和 y 是否真心真实愿意一起赴死，编译器是不知道的，所以需要开发者显示的标注。一旦开发者做了生命周期的标注之后，编译器就会按照开发者的标注，对所有调用的地方进行严格的生命周期检查，从而避免在运行时出现悬浮指针。

比如下面这个例子，即使做了生命周期的标注，也是编译不通过的:

rust 复制代码

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    let z = x.to_string() + y;
    if z.len() > y.len() { &z } else { y }
}

fn main() {
    let x = String::from("Hello");
    let y = String::from("Rust");
    longest(&x, &y);
}

在这个示例中，我们引入了局部变量 z, 它的生命周期是从定义语句开始到函数结束为止。和 x 以及 y 的生命周期 'a 并并不一致，活得更短。编译器根据我们的标注去检查，就不会通过。

所以，对于多个多个引用而言，可以猴年马月生，但必须同年同月死。

生命周期省略(Elision)

生命周期标注对于开发者而言，是不小的心智负担。因此 Rust 也在编译器根据一些规则，依照以下的规则进行判断，如果符合，可以省略标注:

如果每个输入的引用参数都会获得各自的生命周期参数

rust 复制代码

fn longest(x: &i32, y: &i32) {}
// 对于编译器而言，就是如下形式
fn longest<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32) {}

如果只有一个输入生命周期参数，那么会赋值给所有的输出引用

rust 复制代码

fn single(x: &i32) -> &i32 {}
// 对于编译器而言，就是如下形式
fn single<'a>(x: &'a i32) -> &'a i32 {}

如果有多个输入的生命周期参数，且其中有一个是 &self 或者 &mut self ，则生命周期的会被赋予所有的输出引用。

rust 复制代码

struct Artisan {};

impl Artisan {
  fn dancing(&self) -> &i32 {}
  // 对于编译器而言，就是如下形式
  fn dancing<'a>(&'a self) -> &'a i32 {}
}

当面三种情况，包含了打多数场景，满足其一就可以不用去标注生命周期，否则则需要。

上面的省略规则只是对函数以及方法签名有效，对于结构体字段、关联类型都不适用。

静态生命周期

静态的生命周期使用 'static 来表示，其周期是从程序开始知道程序结束为止。标注了 'static 后，在整个程序运行期间都是有效的。

比如说，字符串的字面量:

rust 复制代码

let s &'static str = 'Hello, World';

静态的全局变量:

rust 复制代码

static AQUA: &str = '00FFFF';

另外还有函数指针和编译期间的常量。

静态生命周期的数据通常存储在只读数据去或者全局数据去，但是不要因为看到 static 就以为它是不可变的。Rust 中，也可以将其生命为可变的，放在 unsafe {} 块中，自行保证并发安全:

rust 复制代码

static CONFIG: OnceCell<Arc<Config>> = OnceCell::new();

这个 CONFIG 就是一个静态的，而且是可变的，线程安全的，但是保障线程安全是通过 CAS(Compare Exchange Swap) 来实现的。

结构体和生命周期

在标准库中，有一个 Cow<'a, B> 的枚举，其主要作用是实现延迟拷贝(Copy-on-Write)。例如我有一个修正 URL Path 的方法，如下:

rust 复制代码

use std::borrow::Cow;

fn normalize_path<'a>(path: &'a str) -> Cow<'a, str> {
    if path.contains('\\') {
        let s = path.replace('\\', "/");
        // 写时替换
        Cow::Owned(s)
    } else {
        // 不需要替换，返回 &'a str，零拷贝
        Cow::Borrowed(path)
    }
}

fn main() {
    let path1 = r"resources\human.jpg";
    let path2 = "resources/women.jpg";

    let path1 = normalize_path(path1);
    let path2 = normalize_path(path2);
    // resources/human.jpg, resources/women.jpg
    println!("{path1}, {path2}");
}

我们接着来看 Cow<'a, B> 的源码:

rust 复制代码

pub enum Cow<'a, B>
where
    B: 'a + ToOwned + ?Sized,
{
    Borrowed(&'a B),
    Owned(<B as ToOwned>::Owned),
}

Cow::Borrowed(&'a B) 表示"借用一个生命周期 'a 内有效的数据，这就意味着 B 或者其内部的应用必须活的至少和 'a 一样长，这样才不会导致悬垂引用。具体到上面这个例子中，就是替换后的 s 还是没有替换的 path 的生命周期都必须比 'a 要长。

方差（Variance）

方差有协变（Convariance） 、**逆变（Contravariant）和不变（Invariant）**三种。协变和逆变都描述子类型系统的，而不变指的是不允许子类型系统。

协变

下面这个简单的例子，非常有助于我们理解什么是协变:

rust 复制代码

static GLOBAL: i32 = 123;

fn needs_short<'short>(x: &'short i32) {
    println!("{}", x);
}

fn main() {
    needs_short(&GLOBAL); // 'static 的生命周期是最长的
    let a = &GLOBAL;
    // 同时，这个方法也可以传入生命周期更短的
    // 只要符合生命周期的规则：实参的生命周期大于等于形参
    needs_short(a);  
}

以这个例子来说，need_short<'short>(x: &'short i32) 要求传入的是一个 &'short i32 的类型，但是实际传入的是 &'static i32 类型。对于 Rust 这种遵循显式哲学的强类型语言来说，这是两种不同的类型。所以，同样的逻辑，你可能需要写两个方法，只是为了匹配不同的生命周期。

但是这个例子是可以编译通过的，这就是因为协变：

如果一个复合类型F<T>在其类型参数T上是协变的，那么T1 是 T2 的子类型时, F<T1> 也是 F<T2> 的子类型。

这句话不是很好理解，要么多读几遍，要么放弃去理解这句话。我们以上面这个示例来解释：

&'short i32 是引用类型，也是一种复合类型（还包括泛型, 例如Vec<T>、Cow<T>）；
参数 T 值得就是 i32，T1 就是 &'static i32, 而 T2 就是 &'short i32；
如果 T1 的生命周期 static 比 T2中的生命周期 short 长，表示为 'static: 'short；
那么 T1 就是 T2 的子类型，那么 T1 就可以安全地代替 T2，因为 T1 的生命周期更长；
而 F<T1> 就是 F<T2> 的子类型；

我没写错，你也没看错，生命周期更长的是子类型，你可以类比生面向对象中的继承，子类型能够完成更多的事情，或者想着"青出于蓝而胜于蓝"

我们上文中，提到了 Cow<T> 也是一个协变的例子，你可以传入一个 Cow<'long, B> 或者 Cow<'short, B>。生命周期通过在编译期间的借用检查，防止了在运行时出现悬垂指针。而协变在对生命周期和类型系统的增强，可以让统一接口、代码复用、类型更加灵活。

逆变

在理解了协变之后，逆变就会好理解一些，其实和协变相反。

**如果一个符合类型 F<T> 在其类型参数 T 上是逆变的，那么当 T1 是 T2 的子类型时，F<T2> 反而是 F<T1> 的子类型。 **

关于 T 子类型的判断还是和协变是一致的，生命周期更长的是子类型，但是整个类型 F<T> 的判断就和协变是相反的。这种情况在 Rust 中基本上是少见的，主要体现在函数指针的逆变上，又分为参数类型的逆变和返回类型的逆变。下面这个例子是参数类型的逆变:

rust 复制代码

trait Animal {}

struct Dog;
impl Animal for Dog {}

fn feed_dog<F>(f: F)
where
    F: Fn(&Dog),
{
    let dog = Dog;
    f(&dog);
}

fn feed_animal(_: &dyn Animal) {
    println!("Feeding an animal");
}

fn main() {
    // 允许传入父类型
    // 编译不通过，类型不匹配
    feed_dog(feed_animal(d));
    // 如果要编译通过，改成如下形式:
    feed_dog(|d: &Dog| feed_animal(d));
}

逆变理论内涵在一个生命周期更长的高阶函数内，你可以引用一个生命周期更短的函数指针，这样做理论上也是安全的。所以逆变允许接收子类型参数的函数指针，赋值给接收更加宽泛（超类型）参数的函数指针。

总结

生命周期在 Rust 中非常重要，和所有权、借用三足鼎立，缺一不可。故而，这篇文档花了那么长的篇幅来说明它，就是希望读者能够更加深入地理解生命周期。但尽管如此，仍然没有办法覆盖它的每一个知识点，只能挑重点来说，其他的后期再完善。