生命周期

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这篇教程是现行 3 个 Rust 所有权系统章节的第三部分。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，关键章节
借用，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。这种状况的一个小例子像这样：

let r;              // Introduce reference: `r`.
{
    let i = 1;      // Introduce scoped value: `i`.
    r = &i;         // Store reference of `i` in `r`.
}                   // `i` goes out of scope and is dropped.
println!("{}", r);  // `r` still refers to `i`.

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。在上面的小例子中 Rust 编译器能够报告问题因为它能识别出函数中不同变量的生命周期。

当我们有一个将引用作为参数的函数时情况就变得更复杂了。考虑如下例子：

fn skip_prefix(line: &str, prefix: &str) -> &str {
    // ...
#   line
}
let line = "lang:en=Hello World!";
let lang = "en";
let v;
{
    let p = format!("lang:{}=", lang);  // -+ `p` comes into scope.
    v = skip_prefix(line, p.as_str());  //  |
}                                       // -+ `p` goes out of scope.
println!("{}", v);

这里我们有个函数skip_prefix，它获取两个&str引用作为参数并返回一个&str引用。通过line和p的引用调用它：两个有不同生命周期的变量。现在println!那行代码的安全依赖于skip_prefix函数返回的引用是仍然存在的line还是已经释放掉的p。

因为存在上述的歧义，Rust 将会拒绝编译示例代码。为了继续我们需要向编译器提供更多关于引用生命周期的信息。这可以通过再函数签名中显式标明生命周期来完成：

fn skip_prefix<'a, 'b>(line: &'a str, prefix: &'b str) -> &'a str {
    // ...
#   line
}

让我们看看所做的修改，但是现在并不深入到语法—之后我们会讲到。第一个修改是再方法名后面加入了<'a, 'b>。这引入了两个生命周期参数'a和'b。接下来函数签名中的每个引用都关联了一个生命周期参数，通过再&之后加上生命周期的名字。这告诉了编译器不同引用的生命周期是如何关联的。

这样编译器就能推断出skip_prefix函数的返回值与line参数有着相同的生命周期，这样就使得之前例子中v引用即使在p离开作用域之后也能安全使用。

另外编译器能够检查skip_prefix返回值的用途，它也能确保之后的实现也遵守函数声明建立的约束。这在实现之后会介绍到的 trait 时显得尤为实用。

注意： 认识到生命周期注解是_descriptive_（描述性）而不是_prescriptive_（规定性）是很重要的（译者注：各位可以自行搜索这两个术语）。这意味着引用的生命周期是由代码决定的，而不是由生命周期注解决定的。注解，提供了供编译器用来检查引用的有效性的信息。编译器在简单的情况下无需注解就能进行这种检查，不过在复杂的场景需要程序猿的协助。

语法

'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，让我们看看一个显式生命周期的例子：

fn bar<'a>(...)

之前我们讨论了一些函数语法，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。如果我们有两个拥有不同生命周期的引用参数，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和&'a mut i32，他们是一样的，只是后者在&和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”。

在`struct`中

当你处理结构体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`块

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x和y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x和y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，x和y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` comes 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` comes into scope.
    let f = Foo { x: y }; // -+ `f` comes 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` comes into scope.
                              //  |
    {                         //  |
        let y = &5;           // ---+ `y` comes into scope.
        let f = Foo { x: y }; // ---+ `f` comes into scope.
        x = &f.x;             //  | | This causes an error.
    }                         // ---+ `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，f和y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的生命周期是特殊的。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 self，self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

在上面的例子中，lvl并不需要一个生命周期，因为它不是一个引用（&）。只有与引用（例如一个包含引用的struct）相关的变量才需要生命周期。

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

生命周期

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原则（Meta）

生命周期

语法

在struct中

impl块

多个生命周期

理解作用域（Thinking in scopes）

‘static

生命周期省略（Lifetime Elision）

例子

在`struct`中

`impl`块