Rust 中文社区 · 更新于 2017-09-24 22:00:29

生命周期( Lifetime )

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:

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:

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:

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bcde、...,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:

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。

    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xy,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xy,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'a长('a'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'a长,'a'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:

  1. 输出值依赖哪些输入值。
  2. 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:

struct Person {
    age: &u8,
}

编译时我们会得到一个error:

<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:

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:

<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。

总结

Rust正是通过所有权、借用以及生命周期,以高效、安全的方式近乎完美地管理了内存。没有手动管理内存的负载和安全性,也没有GC造成的程序暂停问题。

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