学习曲线中最陡峭的一段区域
在Rust2020年发起的调研中，大多数人认为Lifetime是最难掌握的特性。这很容易理解，因为在其他语言中你几乎找不到相似的内容作为对照。
图片来源: Rust Survey 2020 Results
但很多时候你又不得不面对使用Lifetime的使用场景，这些场景或简单或复杂，但最终矛头都指向一个问题：变量的存活时间。你大概已经知道，Rust通常会在编译时就推断出了变量或引用的生存范围和存活时间，而且能自动地进行简单的类型推断。但编译器为了追求确定性，它会倾向于在编译时确定尽可能多的信息，而有些东西只有在运行时才能确定，比如分支控制的结果。于是编译器在面临两难的问题时，通常都是直接放弃，报出错误，然后向开发者请求明确的信息。
The Rust Programming Language 在10.3章节对 Lifetime 进行了介绍和案例分析，但我觉得普通人需要反复阅读才能记住这些特性和解释。我在油管上也看一些有关Lifetime的教程，结合这两部分内容，我希望能在本文写下中文环境内最通俗易懂的Lifetime实用解读。
当然，我也十分推荐你仔细阅读Rust Book(The Rust Programming Language)和Rust Reference的相关章节，并在论坛上寻找更专业的解释，以形成自己的理解。
Lifetime和Ownership
如果按照Rust Book来学习的话，首先会了解到所有权（Ownership）这个东西。然后会知道Rust中变量的引用（Reference），借用（Borrow），转移（Move）等规则。我之前也做了一些简单的笔记。
在Rust中存活下来
对于普通变量来说，一旦离开了Rust推断的作用域，就会立即被丢掉，其占用的内存空间也几乎马上就会被清理。也就是说，如果你想要在这个变量上完成某些任务的话，必须要在其离被销毁之前完成，这其实是很容易理解的。它就像生物一样有着自己的生命周期。
对于引用（先不谈智能指针）来说，它也有着本能，那就是希望被引用的内容是在上下文中存在的，编译器也会积极地确保这一点。毕竟，皮之不存，毛将焉附？
问题在于，变量和它的引用并不是共享生命周期的，当变量被销毁后，引用所指的那段内存区域仍然存在，只是不再属于该变量了。这种情况就是引用的悬挂。
fn main() {{let r;{let x = 5;r = &x;}println!("r: {}", r);}}
在上面的代码里， r 被赋值为 x 的引用，但 x 在其定义的内部作用域外已经不可用，因此会出现编译错误。
$ cargo runCompiling chapter10 v0.1.0 (file:///projects/chapter10)error[E0597]: `x` does not live long enough--> src/main.rs:7:17|7 | r = &x;| ^^ borrowed value does not live long enough8 | }| - `x` dropped here while still borrowed9 |10 | println!("r: {}", r);| - borrow later used hereerror: aborting due to previous errorFor more information about this error, try `rustc --explain E0597`.error: could not compile `chapter10`.To learn more, run the command again with --verbose.
这是借用的情况，如果使用转移或者复制，那么相当于 x 中的内容的生命被延长到了 r 的长度，就不会出现错误。
这就是说，引用的寿命必须要比本体的寿命短，否则这个引用就是无效的。Rust通过borrow checker来确定引用是否有效。Borrow Checker并没有什么魔法，它只是静态地比较引用的作用域长度。
用Rust Book中的例子来解释， 'a 和 'b 分别代表 r 和 x 的 Lifetime。由于 'a 与 'b 重叠且 'a 长于 'b ，borrow checker能发现这一引用悬挂。
fn main() {{let r; // ---------+-- 'a// |{ // |let x = 5; // -+---'b |r = &x; // | |} // -+ |// |println!("r: {}", r); // |} // ----------+}
对于两个Lifetime的重叠情况，大致可以分以下几种：
只有符合borrow checker规则的才能编译。
但是，你不用把上面那张图记住，因为这是borrow checker的工作，它已经为你提供好了一层恰到好处的抽象，你只需要明白编译错误的原因即可。
Borrow Checker的局限
由于Borrow Checker是进行的静态分析，它的局限显然在于运行时的推断，实际上，Rust在运行时不会进行这种费力的检查，如果Borrow Checker发现了自己不能判断的境况，会直接产生编译错误。
什么时候Borrow Checker无能为力呢？最明显的地方就是分支控制语句了，在运行之前Rust当然不知道会进入哪条分支。
这个和Lifetime又有什么关系呢？BorrowChecker需要确定其比较的Lifetime，而分支则可能导致Lifetime只有在运行时才确定，因此，我们需要有一种方式来协助BorrowChecker工作。
同样使用Rust Book的例子，因为 longest 的参数是&str, 返回类型也是&str，而内部逻辑则是选择其中一个参数返回。但是，Borrow Checker需要知道在 longest 返回时，“它”引用的内容还存不存在，然而此处的“它”有可能是 x 也有可能是 y 。
fn main() {let string1 = String::from("abcd");let string2 = "xyz";let result = longest(string1.as_str(), string2);println!("The longest string is {}", result);}fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {if x.len() > y.len() {x} else {y}}/*编译错误，并且提示你添加lifetime参数$ cargo runCompiling chapter10 v0.1.0 (file:///projects/chapter10)error[E0106]: missing lifetime specifier--> src/main.rs:9:33|9 | fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {| ^ expected 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`error: aborting due to previous errorFor more information about this error, try `rustc --explain E0106`.error: could not compile `chapter10`.To learn more, run the command again with --verbose.*/
你可以通过这种方式添加lifetime标记。
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {if x.len() > y.len() {x} else {y}}
lifetime的语法是这样的，开头是 ' 符号，其后紧跟一个标记字符串：
&i32 // 引用，存在隐式的lifetime&'a i32 // 有着明确的lifetime标记的不可变引用&'another mut i32 // 有着明确的lifetime标记的可变引用
什么是Lifetime
正如在上面修正后的 longest 中，你只改变了函数签名，包括函数参数和返回值的表达形式。没有引入额外的关键词，也没有引入额外的依赖。你只是在向编译器解释：“我的这个方法有着名为 'a 的lifetime，并且所有参数以及返回值也需要匹配到 'a 这个lifetime”。这句话澄清了一个点，那就是参数 x ， y 拥有了相同的lifetime，而返回的引用的lifetime会与相同标记参数的lifetime中最小的哪一个一致。
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请注意， 'a 什么也没有改变，它不会改变 x 或 y 的lifetime，它只是在形容这个函数在 'a lifetime下该如何表现而已。任何违背该表现的函数调用都不会编译。
比如：
fn main() {let string1 = String::from("long string is long");let result;{let string2 = String::from("xyz");result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());}println!("The longest string is {}", result);}
按照 'a 的形容，result的lifetime是string1和string2中较小的那一个，也就是string2，然而在调用中string2的lifetime要小于result的lifetime，和 'a 想要的形容不一致，因此上面的代码不会编译通过。
Static Lifetime
虽然前面说过Lifetime syntax只是一种标识或指示，但在Rust中也存在由特定含义的Lifetime，比如 'static 。
回到上一个比较字符串的例子当中，我们用的都是 String , 它们之后调用 as_str() 作为方法参数。代码不会编译通过是因为违背了Lifetime标识。但是，如果你使用 &str 作为 string1 和 string2 的类型，代码则可以编译通过。
fn main() {let string1 = "long string is long";let result;{let string2 ="xyz";result = longest(string1, string2);}println!("The longest string is {}", result);}
这是因为 &str 字面量拥有 'static 的Lifetime。声名字面量相当于：
let string1: &'static str = "long string is long";
&'staic 意味着直到程序结束前对该变量的引用都会有效。这也意味着它不会轻易回收，所以不要滥用 'static 。
Static is not const
这是两个不同的关键字，有着不同的用处。
static- global variable or lifetime lasting the entire program execution`const- define constant items or constant raw pointers
注意！这里说的是 static 关键字，并非 'static 这个Lifetime。两者虽然相关但是情景是不同的。对于 static 关键字来说，它可以直接使用在变量声明上：
static BYTES: [u8; 3] = [1, 2, 3];
因而 BYTES 有用如下特性：
- 编译时创建
- 只有在unsafe代码中才能改变（mutate）
- 在整个程序中都有效
Static is not ‘static
变量拥有'staticLifetime 标识，但并非在整个程序中都有效，也并非只能在编译时创建。
如果你看见类似 &'static T 这样的用法， 'static 表示对变量的一种声名，你可以认为：
- 这是一个对T的 immutable 引用。
- 这个引用的有效期（你可以安全使用的时间）最长可以匹配到程序结束。
- 当T是immutable且不被人为move出所属scope时引用可以带到最长的有效期。
为如果你看见类似 T: 'static 这样的generic用法， 'static 则表示对generic的一种限定：
- T可以是borrowed也可以是owned，因为这就是generic的妙处。
- 当T是borrowed，基本和上一个情况类似。
- 当T是owned，它拥有所有owned类型的特征：
- 可在运行时生成并分配空间。
- 可以是mutable，可在运行时被drop掉。
- T的有效期归属于owner，并不一定等同于整个程序。
- T的Lifetime标识是多样的。你可以用
T:'a因为'static>='a。
省略的Lifetime
也就是所谓的Lifetime Elision Rules。但说真的，引入这一条规则是为了更方便地写代码，用户在不知道这条规则的情况下也能写出高质量的代码，这才是省略规则的最终目的。如果有可能，用户最好能在减少一些自行书写Lifetime标识的机会而让编译器推断，因为Lifetime看起来是很丑陋的。
参考
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