• 生命周期（ Lifetime ）
    • 隐式Lifetime
    • 显式Lifetime
    • Lifetime推导
      • 定义多个Lifetime标识符
      • 推导总结
  • Lifetime in struct
  • 总结

    生命周期（ Lifetime ）

    下面是一个资源借用的例子：

    1. fn main() {
    2.     let a = 100_i32;
    4.     {
    5.         let x = &a;
    6.     }  // x 作用域结束
    7.     println!("{}", x);
    8. }

    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：

    1.             {    a    {    x    }    *    }
    2. 所有者 a:         |________________________|
    3. 借用者 x:                   |____|            x = &a
    4.   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：

    1. fn main() {
    2.     let a = 100_i32;
    4.     {
    5.         let x = &a;
    6.         println!("{}", x);
    7.     }  // x 作用域结束
    9. }

    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：

    1.             {    a    {    x    *    }    }
    2. 所有者 a:         |________________________|
    3. 借用者 x:                   |_________|       x = &a
    4.   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：

    1. fn foo(x: &str) -> &str {
    2.     x
    3. }

    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：

    1. fn foo<'a>(x: &'a str) -> &'a str {
    2.     x
    3. }

    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：

    1. fn foo<'a>(x: &'a str) -> &'a str {
    2.     "hello, world!"
    3. }

    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b、c、d、e、…，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？

    1. fn foo(x: &str, y: &str) -> &str {
    2.     if true {
    3.         x
    4.     } else {
    5.         y
    6.     }
    7. }

    这时候再编译，就没那么幸运了：

    1. error: missing lifetime specifier [E0106]
    2. fn foo(x: &str, y: &str) -> &str {
    3.                             ^~~~

    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：

    1. fn foo<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    2.     if true {
    3.         x
    4.     } else {
    5.         y
    6.     }
    7. }

    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。

    1.     Lifetime(R) ⊆ ( Lifetime(X) ∩ Lifetime(Y) ∩ Lifetime(Z) ∩ Lifetime(...) )

    对于例子1：

    1. fn foo<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    2.     if true {
    3.         x
    4.     } else {
    5.         y
    6.     }
    7. }

    因为返回值同时依赖输入参数x和y，所以

    1.     Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    3.     即：
    5.     '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：

    1. fn foo<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
    2.     if true {
    3.         x
    4.     } else {
    5.         y
    6.     }
    7. }

    先看下编译，又报错了：

    1. <anon>:5:3: 5:4 error: cannot infer an appropriate lifetime for automatic coercion due to conflicting requirements [E0495]
    2. <anon>:5         y
    3.                  ^
    4. <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
    5. <anon>:1 fn bar<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
    6. <anon>:2     if true {
    7. <anon>:3         x
    8. <anon>:4     } else {
    9. <anon>:5         y
    10. <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x和y，所以

    1.     Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    3.     即：
    5.     '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比'a长（'a是'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比'a长，'a是'b的子集:

    1. fn foo<'a, 'b: 'a>(x: &'a str, y: &'b str) -> &'a str {
    2.     if true {
    3.         x
    4.     } else {
    5.         y
    6.     }
    7. }

    这里我们根据公式继续推导：

    1.     条件：Lifetime(x) ⊆ Lifetime(y)
    2.     推导：Lifetime(返回值) ⊆ ( Lifetime(x) ∩ Lifetime(y) )
    4.     即：
    6.     条件： 'a ⊆ 'b
    7.     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：

    1. struct Person {
    2.     age: &u8,
    3. }

    编译时我们会得到一个error：

    1. <anon>:2:8: 2:12 error: missing lifetime specifier [E0106]
    2. <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：

    1. struct Person<'a> {
    2.     age: &'a u8,
    3. }

    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：

    1. fn main() {
    2.     let x = 20_u8;
    3.     let stormgbs = Person {
    4.                         age: &x,
    5.                      };
    6. }

    这里，生命周期/Scope的示意图如下：

    1.                   {   x    stormgbs      *     }
    2. 所有者 x:              |________________________|
    3. 所有者 stormgbs:                |_______________|  'a
    4. 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：

    1. impl Person {
    2.     fn print_age(&self) {
    3.         println!("Person.age = {}", self.age);
    4.     }
    5. }

    报错：

    1. <anon>:5:6: 5:12 error: wrong number of lifetime parameters: expected 1, found 0 [E0107]
    2. <anon>:5 impl Person {
    3.               ^~~~~~

    正确的做法是：

    1. impl<'a> Person<'a> {
    2.     fn print_age(&self) {
    3.         println!("Person.age = {}", self.age);
    4.     }
    5. }

    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？

    1. impl<'a> Person<'a> {
    2.     fn get_age(&self) -> &u8 {
    3.         self.age
    4.     }
    5. }

    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：

    1. impl<'a> Person<'a> {
    2.     fn get_age(&'a self) -> &'a u8 {
    3.         self.age
    4.     }
    5. }

    如果输出值（借用）依赖了多个输入值呢？

    1. impl<'a, 'b> Person<'a> {
    2.     fn get_max_age(&'a self, p: &'a Person) -> &'a u8 {
    3.         if self.age > p.age {
    4.             self.age
    5.         } else {
    6.             p.age
    7.         }
    8.     }
    9. }

    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。