1.摘要

生命周期在Rust編程中是一個(gè)重要概念, 它能確保引用像預(yù)期的那樣一直有效。在Rust語(yǔ)言中, 每一個(gè)引用都有其生命周期, 通俗講就是每個(gè)引用在程序執(zhí)行的過(guò)程中都有其自身的作用域, 一旦離開其作用域, 其生命周期也宣告結(jié)束, 值不再有效。

幸運(yùn)的是, 在絕大多數(shù)時(shí)間里, 生命周期是隱含且可以進(jìn)行推斷的, 類似于當(dāng)有多種可能的類型時(shí)必須注明類型, 正因?yàn)槿绱? 所以Rust需要使用者使用泛型生命周期參數(shù)來(lái)注明它們的關(guān)系, 從而確保程序運(yùn)行時(shí)實(shí)際使用的引用絕對(duì)有效。

2.懸垂引用問題

懸垂引用會(huì)導(dǎo)致Rust編程中出現(xiàn)一些潛在的安全問題, 例如: 程序在無(wú)意之中引用了非預(yù)期引用的數(shù)據(jù), 而這種現(xiàn)象在沒有任何約束的情況下很容易出現(xiàn)。Rust編程中引入生命周期的主要原因就是避免編程過(guò)程中出現(xiàn)的懸垂引用問題。

下面看一個(gè)代碼示例：

fn main() {
   let num;
   {
      let count = 5;
      num = &count;
   }
   println!("num: {}", num);
}

首先定義了一個(gè)變量num, 下面的花括號(hào)表示進(jìn)入到一個(gè)作用域, 在該作用域中, 定義了一個(gè)變量count,并賦值為5, 在這個(gè)內(nèi)部作用域中,&count表示一個(gè)對(duì)變量count的引用, 然后將其賦給變量num, 在作用域的外部, 調(diào)用println打印出num的值。

先嘗試編譯一下這段代碼試試:

Rust編譯器報(bào)錯(cuò)的地方指向代碼: num = &count, 并報(bào)了一個(gè)錯(cuò)誤:"borrowed value does not live long enough", 意思是&count的值并沒有存在足夠久, 并很貼心的用藍(lán)色字告訴我們作用域的范圍界定。那么有一個(gè)問題, Rust編譯器是以什么機(jī)制來(lái)判定作用域使用的合法性呢?

3.Rust檢查機(jī)制

在Rust編譯器中, 有一個(gè)被稱為借用檢查器的機(jī)制, 它的主要工作原理是通過(guò)比較作用域來(lái)確保代碼中所有的借用都是有效的, 看一下下面的代碼標(biāo)識(shí):

fn main() {
   let num; ------------------------- num_s
   { |
      let count = 5; ------ count_s |
      num = &count; --------- |
   } |
   println!("num: {}", num);------------
}

這里將上面代碼中的兩個(gè)關(guān)鍵變量num和count分別引入一個(gè)各自代表其生命周期的標(biāo)識(shí):num_s和count_s。很明顯可以看到, num變量的起點(diǎn)在作用域上面, 終點(diǎn)在作用域下面,。而count_s的生命周期起點(diǎn)在進(jìn)入第一個(gè)花括號(hào)后面, 終點(diǎn)在第二個(gè)花括號(hào)前面, 也就是說(shuō), num變量的生命周期num_s包含了count_s的生命周期, 所以Rust編譯器利用借用檢查器比較兩個(gè)變量的生命周期大小, 很容易推斷出num的生命周期明顯要長(zhǎng)。

上面的代碼被Rust編譯器拒絕編譯, 正是因?yàn)榻栌脵z查器首先發(fā)現(xiàn) num_s的生命周期比count_s要長(zhǎng), 而num = &count這句代碼, 被引用的對(duì)象&count比引用者num存在的時(shí)間更短, 因此產(chǎn)生了懸垂引用。

那么解決該問題的方式也比較簡(jiǎn)單, 只要被引用對(duì)象和引用者處于同一作用域即可解決, 如下代碼:

方式一:

fn main() {
   let count = 5;
   let num = &count;
   println!("num: {}", num);
}

方式二:

fn main() {
    let num;
    {
        let count = 5;
        num = &count;
        println!("num: {}", num);
    }
}

4.泛型生命周期

下面有一段代碼, 主要完成了兩個(gè)字符串的長(zhǎng)度比較功能, 其中compare函數(shù)負(fù)責(zé)完成兩個(gè)字符串的長(zhǎng)度比較并返回長(zhǎng)度最長(zhǎng)的字符串的

切片。代碼如下:

fn compare(a: &str, b: &str) -> &str {
    if a.len() > b.len() {
       a
    } else {
       b
    }
}
fn main() {
   let sample1 = String::from("sample for suntiger");
   let sample2 = "suntiger";
   
   let c_result = compare(sample1.as_str(), sample2);
   println!("最長(zhǎng)的字符串是 {}", c_result);
}

這段代碼編譯時(shí),Rust編譯器的返回如下:

上面的錯(cuò)誤提示分為三個(gè)部分: compare函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)以及返回值存在生命周期問題。首先, Rust編譯器并不清楚將要返回的引用&str到底是指向參數(shù)a還是參數(shù)b, 其實(shí)作為程序員自己也是不知道的, 因?yàn)橹挥性谶\(yùn)行時(shí)通過(guò)比較兩個(gè)參數(shù)的長(zhǎng)度大小后才知道哪個(gè)參數(shù)切片的字符串內(nèi)容更長(zhǎng)。

因此, 根據(jù)Rust編譯器的綠色標(biāo)記提示, 在編寫compare函數(shù)時(shí), 必須增加泛型生命周期參數(shù)來(lái)定義引用間的關(guān)系以便Rust的檢查機(jī)制能夠正確分析。

5.生命周期注解

在上面的編譯器返回提示中, 綠色的部分: <'a>、&'a被稱為生命周期注解, 這個(gè)也是Rust語(yǔ)言獨(dú)特的語(yǔ)法, 看起來(lái)比較奇葩和抽象, 那么Rust如何去定義這個(gè)注解呢, 以下是簡(jiǎn)單的語(yǔ)法:

&str // 稱為引用
&'a str // 稱為帶有顯式生命周期的引用
&'a mut str // 稱為帶有顯式生命周期的可變引用

生命周期注解的一個(gè)重要作用就是告訴Rust編譯器在多個(gè)引用的泛型生命周期參數(shù)存在期間它們?nèi)绾蜗嗷ヂ?lián)系。

嘗試將compare函數(shù)代碼修改如下:

fn compare<'a>(a: &'a str, b: &'a str) -> &'a str {
    if a.len() > b.len() {
       a
    } else {
       b
    }
}

再次嘗試編譯, Rust編譯器返回如下:

這次返回了正確的結(jié)果, 當(dāng)在函數(shù)中使用生命周期注解時(shí), 這些注解只存在于函數(shù)簽名中, 而不存在于函數(shù)體的任何代碼中, 當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中, 參數(shù)的引用傳給compare函數(shù)時(shí), 被'a取代的具體生命周期是參數(shù)a的作用域與參數(shù)b的作用域重疊的那一部分, 換句話說(shuō)就是兩個(gè)參數(shù)中生命周期較小的那一個(gè)。

6.結(jié)構(gòu)體生命周期注解

在定義結(jié)構(gòu)體時(shí), 也要在相應(yīng)的地方加上生命周期注解, 結(jié)構(gòu)體定義如下:

struct PersonInfo<'a> {
    name: &'a str,
}

在該結(jié)構(gòu)體中定義了一個(gè)name的字段, 其中存放了一個(gè)字符串切片, 為了能夠在結(jié)構(gòu)體定義中使用生命周期參數(shù), 必須在結(jié)構(gòu)體名稱后面的括號(hào)中聲明泛型生命周期參數(shù)。

接下來(lái)需要在main函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例, 將一個(gè)字符串切片內(nèi)容傳給結(jié)構(gòu)體參數(shù), 代碼如下:

fn main() {
    let sayinfo = String::from("今天天氣不錯(cuò)#挺風(fēng)和日麗的...");
    let headerinfo = sayinfo.split('#').next().expect("找不到分隔符'#'");
    let pi = PersonInfo {
        name: headerinfo,
    };
    println!("分割name內(nèi)容為: {}", pi.name);
}

在上面的代碼中, 對(duì)變量sayinfo中的內(nèi)容作了字符串分割, 如果找到符號(hào)#,則取前面的內(nèi)容,然后將該部分內(nèi)容存到結(jié)構(gòu)體字段中。

編譯結(jié)果如下:

因?yàn)樽兞縮ayinfo在結(jié)構(gòu)體PersonInfo之前創(chuàng)建, 且結(jié)構(gòu)體離開作用域之后,變量sayinfo仍然不會(huì)離開作用域, 因此PersonInfo實(shí)例中的引用一直都是有效的, 并不會(huì)出問題。

7.靜態(tài)生命周期

靜態(tài)生命周期和靜態(tài)變量一樣, 都有一個(gè)關(guān)鍵字: static, 例子代碼如下:

let sample: &'static str = "我是一個(gè)靜態(tài)周期的例子.";

現(xiàn)在變量sample的生命周期會(huì)一直持續(xù), 在整個(gè)程序中都是有效的, 盡管靜態(tài)生命周期會(huì)避免編碼過(guò)程中的很多編譯器檢查錯(cuò)誤, 但是一旦在編碼過(guò)程中出現(xiàn)懸垂引用的錯(cuò)誤編碼時(shí), 更正確的做法應(yīng)該是想辦法解決懸垂引用的問題,而不是靠靜態(tài)生命周期避開錯(cuò)誤。

8.總結(jié)

在本篇文章中我們探索了生命周期在Rust常見場(chǎng)景中的各種應(yīng)用, 但在復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中, 可能還會(huì)遇到其它錯(cuò)誤, 這時(shí)候依靠Rust編譯器強(qiáng)大的提示功能應(yīng)該能夠準(zhǔn)確找到出現(xiàn)問題的地方, 在這個(gè)過(guò)程中解決問題, 除了加深印象, 還能起到舉一反三的作用。