第十四章 生命周期

Rust需要在编译时确保所有引用都是有效的。生命周期就是用来追踪引用的有效范围的。

核心问题： 编译器如何知道引用是否指向有效的数据？

{
    let r;          // ---------+-- 'a
                    //          |
    {               //          |
        let x = 5;  // -+-- 'b  |
        r = &x;     //  |       |
    }               // -+       |
                    //          |
    println!("r: {}", r);  //   |
}                   // ---------+

这段代码编译失败，因为r的生命周期'a比x的生命周期'b长。

• 以'开头，通常小写且简短，如'a、'b
• 放在&后面，如&'a i32
• 只是描述引用之间的关系，不改变实际生命周期

&i32        // 引用
&'a i32     // 带有显式生命周期的引用
&'a mut i32 // 带有显式生命周期的可变引用

Rust有生命周期省略规则，在简单情况下自动推断：

1. 每个引用参数都有自己的生命周期
2. 如果只有一个输入生命周期，它赋给所有输出生命周期
3. 如果有多个输入生命周期，但一个是&self或&mut self，self的生命周期赋给输出

// 编译错误：编译器无法推断返回值的生命周期
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

正确写法：

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

含义： 返回的引用与x和y中生命周期较短的那个相同。

fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");
 
    {
        let string2 = String::from("xyz");
        let result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
        println!("最长的字符串是{}", result);
    }
}

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!("最长的字符串是{}", result);  // 错误！string2已失效
}

如果结构体包含引用，必须标注生命周期：

struct ImportantExcerpt<'a> {
    part: &'a str,
}
 
fn main() {
    let novel = String::from("Call me Ishmael. Some years ago...");
    let first_sentence = novel.split('.').next().expect("找不到.");
 
    let i = ImportantExcerpt {
        part: first_sentence,
    };
 
    println!("{}", i.part);
}

含义： ImportantExcerpt的实例不能比part中的引用活得更长。

fn foo<'a>(x: &'a i32)  // 一个参数
fn foo<'a, 'b>(x: &'a i32, y: &'b i32)  // 两个参数

fn foo<'a>(x: &'a i32) -> &'a i32  // 省略写法：fn foo(x: &i32) -> &i32

impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    fn level(&self) -> i32 {  // 省略写法
        3
    }
}

'static表示整个程序运行期间都有效。

let s: &'static str = "我有静态生命周期";

注意：

• 字符串字面量有'static生命周期
• 不要盲目使用'static来解决生命周期错误
• 通常意味着设计问题

use std::fmt::Display;
 
fn longest_with_an_announcement<'a, T>(
    x: &'a str,
    y: &'a str,
    ann: T,
) -> &'a str
where
    T: Display,
{
    println!("公告！{}", ann);
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

struct Parser<'a> {
    content: &'a str,
}
 
impl<'a> Parser<'a> {
    fn new(content: &'a str) -> Self {
        Parser { content }
    }
 
    fn first_word(&self) -> &'a str {
        self.content.split_whitespace().next().unwrap_or("")
    }
}

fn split<'a, 'b>(input: &'a str, delimiter: &'b str) -> Vec<&'a str> {
    input.split(delimiter).collect()
}

fn get_first_word(s: &str) -> &str {
    s.split_whitespace().next().unwrap_or("")
}
 
fn main() {
    let text = String::from("hello world");
    let word = get_first_word(&text);
    println!("{}", word);
}

答案： 使用生命周期省略规则即可，不需要显式标注。

struct Config<'a> {
    filename: &'a str,
    content: &'a str,
}
 
impl<'a> Config<'a> {
    fn new(filename: &'a str, content: &'a str) -> Self {
        Config { filename, content }
    }
 
    fn display(&self) {
        println!("文件：{}", self.filename);
        println!("内容：{}", self.content);
    }
}
 
fn main() {
    let filename = "config.txt";
    let content = "key=value";
 
    let config = Config::new(filename, content);
    config.display();
}

本章学习了Rust的生命周期：

• 生命周期的目的：确保引用总是有效
• 标注语法：'a、&'a T
• 函数生命周期：返回值与输入参数关联
• 结构体生命周期：含引用的结构体需要标注
• 省略规则：简化常见情况的标注
• 'static：整个程序运行期间有效

生命周期是Rust内存安全保证的重要组成部分，虽然起初难以理解，但掌握后能写出更安全的代码。