與 Rust 勾心鬥角 · 終於要標註生命週期了

garfileo發表於2022-05-21
Rust

rskynet 只是一個有著 300 餘行程式碼的小專案……或者極其渺小專案，所實現的功能是讀取記載多面體資訊的 OFF 檔案，計算多面體的包圍球，基於包圍球的中心半自動化的生成 POV Ray 場景中的模型和檢視檔案並交由 povray 解析，為多面體生成指定視角的渲染結果。不過，這些功能幾乎與本文無關，有關的僅僅是在實現這些功能的過程中，在為 Mesh 結構體定義一個方法時，遇到了需要顯式標註生命週期的情況。

問題要簡單化

假設有一個結構體

struct Foo {
    name: &str,
    value: i32,
}

若使用以下程式碼構造 Foo 的例項

let x = Foo {name: "foo", value: 1};

rustc 會無奈地指出

error[E0106]: missing lifetime specifier
  ... ... ...
  |
  |     name: &str,
  |           ^ expected named lifetime parameter

還會給出建議

help: consider introducing a named lifetime parameter
  |
  ~ struct Foo<'a> {
  ~     name: &'a str,
  |

按照上述建議，將 Foo 的定義修改為

struct Foo<'a> {
    name: &'a str,
    value: i32,
}

問題便得到了解決，至此我見證了 Rust 的偉大發明——生命週期標註，但是究竟發生了什麼？

生命週期是泛型型別

在修改後的 Foo 裡，'a 出現在我熟悉的泛型引數 T 出現的位置，它是泛型引數嗎？我猜，是的。萬物不同，但時間都是相同的。在 Rust 語言裡，每個引用都有生命週期。使用過期的引用（所引用的變數已被釋放），會導致程式碼被 rustc 拒絕通過。理想是好的，但 rustc 有時無法判斷一個引用是否過期。例如

let x = Foo {name: "foo", value: 1};

將字串 "foo" 的引用賦給了 Foo 的 name 成員變數，rustc 無法確定在 x 的生命週期內，字串 "foo" 依然健在。在我看來，"foo" 是直接編碼在程式的可執行檔案裡的，它與程式同壽，完全沒有可能在 x 的生命週期內被釋放，但是 在 rustc 看來，它只知道這是個字串的引用，而只要是引用，就可能存在引用過期變數的危險，因此它需要我明確告訴它，"foo" 能活多久。

生命週期標記

要告訴 rustc，一個變數的生命週期是多久，基本是不可能的，但是能夠通過生命週期標記告訴 rustc，一個變數的生命週期至少與某個生命週期相等。例如

struct Foo<'a> {
    name: &'a str,
    value: i32,
}

能夠告訴 rustc，name 引用的變數至少能活得跟 Foo 的例項一樣久，事實上，的確如此。

生命週期標記僅僅是對一個引用的時效性給予約束，它並不能改變該引用的生命週期。下面的程式碼可以說明這一點，

let mut x = Foo {name: "", value: 1};
{
    let a = String::from("foo");
    foo.name = a.as_str();
}
println!("({}, {})", foo.name, foo.value);

a 在 { ... } 構成的區域性作用區域記憶體活，出了該區域，便會被釋放。儘管 a 的部分內容（字串切片）被 foo.name 引用，而且生命週期標記要求該部分內容的生命週期至少與 foo 相等，但實際情況並非如此，因此 rustc 會拒絕這段程式碼通過編譯，並給出以下錯誤資訊

error[E0597]: `a` does not live long enough
   ... ... ...
   |
   |         foo.name = a.as_str();
   |                    ^^^^^^^^^^ borrowed value does not live long enough
   |     }
   |     - `a` dropped here while still borrowed
   |     println!("({}, {})", foo.name, foo.value);
   |                          -------- borrow later used here

陳年冤案

去年的上個月在寫 rhamal.pdf，在 2.8 節，我遇到了一個靈異事件，即以下程式碼無法通過編譯：

struct Point {x: f64, y: f64, z: f64}

fn main() {
    let mut a = Point {x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0};
    let b = &mut a;
    println!("({}, {}, {})", a.x, a.y, a.z);
    println!("({}, {}, {})", b.x, b.y, b.z);
}

當時，由於對 Rust 語法過於畏懼，以致沒有耐心觀察 rustc 的報錯，而是想當然地認為這可能跟 a 和 b 的生命週期不一致有關。現在，可以給生命週期翻案了。

上述程式碼的錯誤之處在於，a 被 b 可變借用了，而且是可變借用，而在隨後的 println! 語句中，a 是以不可變借用的形式出現——println! 是一個巨集，其引數會自動被轉化為不可變借用。在 Rust 語法裡，一個變數在被當成可變借用之後，倘若對其進行不可變借用，那麼就再也不能通過可變引用訪問它了，反之，若對一個變數先進行不可變借用，然後再進行可變借用，這是允許的——大概可以避免資料競爭。因此，上述程式碼需要修改為

struct Point {x: f64, y: f64, z: f64}

fn main() {
    let mut a = Point {x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0};
    let b = &mut a;
    println!("({}, {}, {})", b.x, b.y, b.z);
    println!("({}, {}, {})", a.x, a.y, a.z);
}

小結

不再太害怕生命週期標記了。

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