KaiserY · 更新于 2018-11-28 11:00:43

生命周期

lifetimes.md
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这篇教程是现行 3 个 Rust 所有权系统之一。所有权系统是 Rust 最独特且最引人入胜的特性之一,也是作为 Rust 开发者应该熟悉的。Rust 所追求最大的目标 -- 内存安全,关键在于所有权。所有权系统有一些不同的概念,每个概念独自成章:

  • [所有权](5.8.Ownership 所有权.md),关键章节
  • [借用](5.9.References and Borrowing 引用和借用.md),以及它关联的特性: "引用" (references)
  • 生命周期,你正在阅读的这个章节

这 3 章依次互相关联,你需要完整地阅读全部 3 章来对 Rust 的所有权系统进行全面的了解。

原则(Meta)

在我们开始详细讲解之前,这有两点关于所有权系统重要的注意事项。

Rust 注重安全和速度。它通过很多零开销抽象zero-cost abstractions)来实现这些目标,也就是说在 Rust 中,实现抽象的开销尽可能的小。所有权系统是一个典型的零开销抽象的例子。本文提到所有的分析都是在编译时完成的。你不需要在运行时为这些功能付出任何开销。

然而,这个系统确实有一个开销:学习曲线。很多 Rust 初学者会经历我们所谓的“与借用检查器作斗争”的过程,也就是指 Rust 编译器拒绝编译一个作者认为合理的程序。这种“斗争”会因为程序员关于所有权系统如何工作的基本模型与 Rust 实现的实际规则不匹配而经常发生。当你刚开始尝试 Rust 的时候,你很可能会有相似的经历。然而有一个好消息:更有经验的 Rust 开发者反映,一旦他们适应所有权系统一段时间之后,与借用检查器的冲突会越来越少。

记住这些之后,让我们来学习有关生命周期的内容。

生命周期

借出一个其它人所有资源的引用可以是很复杂的。例如,想象一下下列操作:

  • 我获取了一个某种资源的句柄
  • 我借给你了一个关于这个资源的引用
  • 我决定不再需要这个资源了,然后释放了它,这时你仍然持有它的引用
  • 你决定使用这个资源

噢!你的引用指向一个无效的资源。这叫做悬垂指针dangling pointer)或者“释放后使用”,如果这个资源是内存的话。

要修正这个问题的话,我们必须确保第四步永远也不在第三步之后发生。Rust 所有权系统通过一个叫生命周期lifetime)的概念来做到这一点,它定义了一个引用有效的作用域。

当我们有一个获取引用作为参数的函数,我们可以隐式或显式涉及到引用的生命周期:

// implicit
fn foo(x: &i32) {
}

// explicit
fn bar<'a>(x: &'a i32) {
}

'a读作“生命周期 a”。技术上讲,每一个引用都有一些与之相关的生命周期,不过编译器在通常情况让你可以省略(也就是,省略,查看下面的生命周期省略)它们。在我们讲到它之前,让我们拆开显式的例子看看:

fn bar<'a>(...)

之前我们讨论了一些[函数语法](Functions 函数.md),不过我们并没有讨论函数名后面的<>。一个函数可以在<>之间有“泛型参数”,生命周期也是其中一种。我们在[本书的后面](Generics 泛型.md)讨论其他类型的泛型。不过现在让我们着重看生命周期。

我们用<>声明了生命周期。这是说bar有一个生命周期'a。如果我们有两个引用参数,它应该看起来像这样:

fn bar<'a, 'b>(...)

接着在我们的参数列表中,我们使用了我们命名的生命周期:

...(x: &'a i32)

如果我们想要一个&mut引用,我们这么做:

...(x: &'a mut i32)

如果你对比一下&mut i32&'a mut i32,他们是一样的,只是后者在&mut i32之间夹了一个'a生命周期。&mut i32读作“一个i32的可变引用”,而&'a mut i32读作“一个带有生命周期'a的i32的可变引用”。

struct

当你处理[结构体](5.12.Structs 结构体.md)时你也需要显式的生命周期:

struct Foo<'a> {
    x: &'a i32,
}

fn main() {
    let y = &5; // this is the same as `let _y = 5; let y = &_y;`
    let f = Foo { x: y };

    println!("{}", f.x);
}

如你所见,struct也可以有生命周期。跟函数类似的方法,

struct Foo<'a> {
# x: &'a i32,
# }

声明一个生命周期,接着

# struct Foo<'a> {
x: &'a i32,
# }

使用它。然而为什么这里我们需要一个生命周期呢?因为我们需要确保任何Foo的引用不能比它包含的i32的引用活的更久。

impl

让我们在Foo中实现一个方法:

struct Foo<'a> {
    x: &'a i32,
}

impl<'a> Foo<'a> {
    fn x(&self) -> &'a i32 { self.x }
}

fn main() {
    let y = &5; // this is the same as `let _y = 5; let y = &_y;`
    let f = Foo { x: y };

    println!("x is: {}", f.x());
}

如你所见,我们需要在impl行为Foo声明一个生命周期。我们重复了'a两次,就像在函数中:impl<'a>定义了一个生命周期'a,而Foo<'a>使用它。

多个生命周期

如果你有多个引用,你可以多次使用同一个生命周期:

fn x_or_y<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
#    x
# }

这意味着xy存活在同样的作用域内,并且返回值也同样存活在这个作用域内。如果你想要xy有不同的生命周期,你可以使用多个生命周期参数:

fn x_or_y<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
#    x
# }

在这个例子中,xy有不同的有效的作用域,不过返回值和x有相同的生命周期

理解作用域(Thinking in scopes)

理解生命周期的一个办法是想象一个引用有效的作用域。例如:

fn main() {
    let y = &5;     // -+ y goes into scope
                    //  |
    // stuff        //  |
                    //  |
}                   // -+ y goes out of scope

加入我们的Foo

struct Foo<'a> {
    x: &'a i32,
}

fn main() {
    let y = &5;           // -+ y goes into scope
    let f = Foo { x: y }; // -+ f goes into scope
    // stuff              //  |
                          //  |
}                         // -+ f and y go out of scope

我们的f生存在y的作用域之中,所以一切正常。那么如果不是呢?下面的代码不能工作:

struct Foo<'a> {
    x: &'a i32,
}

fn main() {
    let x;                    // -+ x goes into scope
                              //  |
    {                         //  |
        let y = &5;           // ---+ y goes into scope
        let f = Foo { x: y }; // ---+ f goes into scope
        x = &f.x;             //  | | error here
    }                         // ---+ f and y go out of scope
                              //  |
    println!("{}", x);        //  |
}                             // -+ x goes out of scope

噢!就像你在这里看到的一样,fy的作用域小于x的作用域。不过当我们尝试x = &f.x时,我们让x引用一些将要离开作用域的变量。

命名作用域用来赋予作用域一个名字。有了名字是我们可以谈论它的第一步。

'static

叫做static的作用域是特殊的。它代表某样东西具有横跨整个程序的生命周期。大部分 Rust 程序员当他们处理字符串时第一次遇到'static

let x: &'static str = "Hello, world.";

基本字符串是&'static str类型的因为它的引用一直有效:它们被写入了最终库文件的数据段。另一个例子是全局量:

static FOO: i32 = 5;
let x: &'static i32 = &FOO;

它在二进制文件的数据段中保存了一个i32,而x是它的一个引用。

生命周期省略(Lifetime Elision)

Rust支持强大的在函数体中的局部类型推断,不过这在项签名中是禁止的以便允许只通过项签名本身推导出类型。然而,出于人体工程学方面的考虑,有第二个非常限制的叫做“生命周期省略”的推断算法适用于函数签名。它只基于签名部分自身推断而不涉及函数体,只推断生命周期参数,并且只基于 3 个易于记忆和无歧义的规则,虽然并不隐藏它涉及到的实际类型,因为局部推断可能会适用于它。

当我们讨论生命周期省略的时候,我们使用输入生命周期和输出生命周期input lifetime and output lifetime.)。输入生命周期是关于函数参数的,而输出生命周期是关于函数返回值的。例如,这个函数有一个输入生命周期:

fn foo<'a>(bar: &'a str)

这个有一个输出生命周期:

fn foo<'a>() -> &'a str

这个两者皆有:

fn foo<'a>(bar: &'a str) -> &'a str

有3条规则:

  • 每一个被省略的函数参数成为一个不同的生命周期参数。
  • 如果刚好有一个输入生命周期,不管是否省略,这个生命周期被赋予所有函数返回值中被省略的生命周期。
  • 如果有多个输入生命周期,不过它们当中有一个是&self或者&mut selfself的生命周期被赋予所有省略的输出生命周期。

否则,省略一个输出生命周期将是一个错误。

例子

这里有一些省略了生命周期的函数的例子。我们用它们的扩展形式配对了每个省略了生命周期的例子。

fn print(s: &str); // elided
fn print<'a>(s: &'a str); // expanded

fn debug(lvl: u32, s: &str); // elided
fn debug<'a>(lvl: u32, s: &'a str); // expanded

// In the preceding example, `lvl` doesn’t need a lifetime because it’s not a
// reference (`&`). Only things relating to references (such as a `struct`
// which contains a reference) need lifetimes.

fn substr(s: &str, until: u32) -> &str; // elided
fn substr<'a>(s: &'a str, until: u32) -> &'a str; // expanded

fn get_str() -> &str; // ILLEGAL, no inputs

fn frob(s: &str, t: &str) -> &str; // ILLEGAL, two inputs
fn frob<'a, 'b>(s: &'a str, t: &'b str) -> &str; // Expanded: Output lifetime is ambiguous

fn get_mut(&mut self) -> &mut T; // elided
fn get_mut<'a>(&'a mut self) -> &'a mut T; // expanded

fn args<T: ToCStr>(&mut self, args: &[T]) -> &mut Command; // elided
fn args<'a, 'b, T: ToCStr>(&'a mut self, args: &'b [T]) -> &'a mut Command; // expanded

fn new(buf: &mut [u8]) -> BufWriter; // elided
fn new<'a>(buf: &'a mut [u8]) -> BufWriter<'a>; // expanded
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