Rust 实用进阶：深度剖析 Rust 生命周期的奥秘

在 Rust 的世界里，内存安全是基石，而生命周期则是这块基石上不可或缺的组件。它像一个强大的哨兵，确保你在借用数据时不会遇到悬空引用（dangling reference）这类安全隐患。尽管生命周期概念初看有些抽象，但掌握它，就意味着你真正理解了 Rust 的核心魅力。

本文将通过三个循序渐进的实例，带你从最基本的函数参数，到复杂的嵌套作用域，再到结构体中的引用，彻底解开生命周期的神秘面纱。

实操

示例一

// lifetimes1.rs
//
// The Rust compiler needs to know how to check whether supplied references are
// valid, so that it can let the programmer know if a reference is at risk of
// going out of scope before it is used. Remember, references are borrows and do
// not own their own data. What if their owner goes out of scope?

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

fn main() {
    let string1 = String::from("abcd");
    let string2 = "xyz";

    let result = longest(string1.as_str(), string2);
    println!("The longest string is '{}'", result);
}

这段 Rust 代码的核心是 生命周期注解（'a），它用于告诉编译器如何管理函数参数和返回值引用的有效性。在 longest 函数中，<'a> 定义了一个名为 'a 的生命周期参数，它被应用于两个输入参数 x 和 y，以及返回值。这向编译器保证，longest 函数返回的引用（&'a str）的生命周期，将与所有输入引用的生命周期中最短的那个保持一致。通过这种方式，编译器可以在编译时检查并确保返回的引用在被使用时，它所指向的数据（string1 和 string2）依然有效，避免了悬空引用（dangling reference）的风险。

示例二

// lifetimes2.rs
//
// So if the compiler is just validating the references passed to the annotated
// parameters and the return type, what do we need to change?

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

// 方式一
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);
}

// 方式二
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!("The longest string is '{}'", result);
    }
}

// 方式三
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);
}

// 方式四
fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");
    let result;

    let string2 = "xyz";
    result = longest(string1.as_str(), string2);

    println!("The longest string is '{}'", result);
}

// 方式五
fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");

    let string2 = "xyz";
    let result = longest(string1.as_str(), string2);

    println!("The longest string is '{}'", result);
}

// 方式六
fn main() {
    let string1 = String::from("long string is long");
    let result;
    {
        let string2 = "xyz";
        result = longest(string1.as_str(), string2);
    }
    println!("The longest string is '{}'", result);
}

这段 Rust 代码通过六个 main 函数的变体，生动地展示了生命周期注解 'a 的作用。longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str 函数的生命周期注解告诉编译器，函数的返回值引用的生命周期，将与输入参数 x 和 y 的生命周期交集相同。在所有六个变体中，尽管变量作用域和赋值方式不同，但 Rust 编译器都能够智能地推断出，在 println! 被调用时，result 变量所引用的数据（string1 和 string2）都还存在于内存中。因此，所有这些代码都符合 Rust 的借用规则，成功避免了悬空引用，并能够顺利编译和运行。这体现了 Rust 在编译时进行内存安全检查的严谨性。

示例三

// lifetimes3.rs
//
// Lifetimes are also needed when structs hold references.

struct Book<'a> {
    author: &'a str,
    title: &'a str,
}

fn main() {
    let name = String::from("Jill Smith");
    let title = String::from("Fish Flying");
    let book = Book {
        author: &name,
        title: &title,
    };

    println!("{} by {}", book.title, book.author);
}

这段 Rust 代码展示了如何在结构体（struct）中使用生命周期来管理引用。Book<'a> 结构体定义了一个名为 'a 的生命周期参数，并将其应用于 author 和 title 这两个字段。这向编译器保证，Book 实例中的所有引用（&'a str）将与它们所指向的外部数据（在 main 函数中是 name 和 title 变量）拥有相同的有效生命周期。通过这种方式，编译器可以在编译时检查并确保 book 结构体在被使用时，它所借用的 name 和 title 字符串都还存在，从而防止了悬空引用，确保了内存安全。

总结

通过这三个渐进的示例，我们全面探索了 Rust 中生命周期的核心作用。我们了解到，生命周期注解 'a 并非简单地延长引用的有效时间，而是向编译器提供一个保证，即引用的数据在被使用时是存活的。无论是函数的参数和返回值，还是结构体内部的引用，生命周期都在幕后默默工作，保障着 Rust 独特的内存安全。理解生命周期，意味着你已经跨越了学习 Rust 的一个重要门槛，能够更自如地编写出高效且无内存错误的代码。

参考

• https://doc.rust-lang.org/book/
• https://github.com/rust-lang/rustlings
• https://bevy-cheatbook.github.io/