Rust - Lifetime
23 Nov 2022Rust 前情提要：
Rust 被設計為一種非常安全的語言，因此變數宣告上有幾點特色 ：
- Rust 沒有 null 的概念，也不允許 null pointer，如果在指派值給變數之前使用它，會報錯。
- 變數預設為 immutable，如果要該變數的值可被變更，必須加上
mut這個 keyword。
Rust 內，每個引用(Reference)都有生命週期(Lifetime)，生命週期會決定該引用是不是有效的引用。
當在一個 function、一個生命週期內大量地引用多個變數，這些變數可能擁有不同生命週期，這時我們就需要使用泛型生命週期來詮釋引用之間的關係，以避免 Dangling references 等問題發生。
例如下面這個例子：
fn main() {
{
let r;
{
let x = 5;
r = &x;
}
println!("r: {}", r);
}
}
如果執行會出現錯誤：
error[E0597]: `x` does not live long enough
--> src/main.rs:7:17
|
7 | r = &x;
| ^^ borrowed value does not live long enough
8 | }
| - `x` dropped here while still borrowed
9 |
10 | println!("r: {}", r);
| - borrow later used here
這是因為外部作用域的 r 引用的內部作用域的 x 在被印出來之前生命就結束了，等於指標指到的地方記憶體已經被釋放了。
Rust 編譯器怎麼發現引用的記憶體被釋放了呢？這是因為 Rust 編譯器有個叫做 借用檢查器 （borrow checker）的東西，會檢查變數們的引用是否有效。
把上面的程式碼加上生命週期詮釋，用 ‘a 表示外部作用域的 r 的生命週期， ‘b 代表內部作用域 x 的生命週期。
{
let r; // ---------+-- 'a
// |
{ // |
let x = 5; // -+-- 'b |
r = &x; // | |
} // -+ |
// |
println!("r: {}", r); // |
} // ---------+
把程式碼改成下面的樣子就可以正常編譯：
{
let x = 5; // ----------+-- 'b
// |
let r = &x; // --+-- 'a |
// | |
println!("r: {}", r); // | |
// --+ |
} // ----------+
此時 x 的生命週期 ‘b 比 ‘a 還長，所以編譯器知道引用有效。
函式中的生命週期
fn main() {
let string1 = String::from("abcd");
let string2 = "xyz";
let result = longest(string1.as_str(), string2);
println!("最長的字串為 {}", result);
}
fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}
編譯的話會出現下面的錯誤：
error[E0106]: missing lifetime specifier
--> src/main.rs:9:33
|
9 | fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
| ---- ---- ^ expected named 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`
help: consider introducing a named lifetime parameter
|
9 | fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
| ++++ ++ ++ ++
For more information about this error, try `rustc --explain E0106`.
error: could not compile `playground` due to previous error
他叫你要有 lifetime specifier，這是因為longest function 引用了兩個參數，並回傳其中一個，但是到底回傳 x 還是 y 不一定，所以無法像前面觀察作用域一樣確保引用的有效。Rust 的解決方法就是加上泛型生命週期參數來定義引用之間的關係，讓檢查器可以檢查
生命週期詮釋語法
生命週期的參數以撇號開頭（’），通常是很短的小寫。大部分時會會將其放在引用的 & 後面。
&i32 // 一個引用
&'a i32 // 一個有顯式生命週期的引用
&'a mut i32 // 一個有顯式生命週期的可變引用
如果我們宣告一個叫做 one 的引用，他的生命週期是 ‘a，宣告一個叫做 two 的引用，他的生命週期也是 ‘a，這兩個變數都會和 ‘a 這個生命週期活得一樣久
修改前面的程式碼，確保 x 與 y 不管回傳哪個都是有效的引用。
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}
這樣一來函式內所有引用 — x 與 y 的生命週期都是 ‘a。回傳的地方也有標註生命週期，讓編譯器知道：不管 x 還 y ，生命週期都與回傳的 str 相同，不用擔心回傳到非法的引用。
實際上， ‘a 代表的是 x 與 y 生命週期重疊的部分，也就是較短的生命週期。使用這個方式讓編譯器檢查出非法引用，畢竟較短的生命週期 = 比較早被釋放的變數，在此方法之下，回傳引用的生命週期保證在 x 和 y的生命週期較短的結束前有效。
現在的程式碼：
fn main() {
let string1 = String::from("很長的長字串");
let result;
{
let string2 = String::from("xyz");
result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
}
println!("最長的字串為 {}", result);
}
fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
if x.len() > y.len() {
x
} else {
y
}
}
編譯會檢查出錯誤：
error[E0597]: `string2` does not live long enough
--> src/main.rs:6:44
|
6 | result = longest(string1.as_str(), string2.as_str());
| ^^^^^^^^^^^^^^^^ borrowed value does not live long enough
7 | }
| - `string2` dropped here while still borrowed
8 | println!("最長的字串為 {}", result);
| ------ borrow later used here
For more information about this error, try `rustc --explain E0597`.
編譯器發現 string2 生命週期太短！
如果是宣告 struct，通常也都會加上生命週期，避免在 struct 尚存在的時候，裡面引用的資料就被釋放
struct ImportantExcerpt<'a> {
part: &'a str,
}