Why are explicit lifetimes needed in Rust?

Rust

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Rust 需要明确的生命周期（lifetime）注解主要是因为它的内存安全保证。Rust 不使用垃圾回收机制来管理内存，而是通过编译时的所有权（ownership）和借用（borrowing）规则，因此需要精确地知道每个引用的有效范围。

下面是几个关键点解释为什么 Rust 需要明确的生命周期：

避免悬垂指针（Dangling Pointers）：生命周期确保引用不会比它们指向的数据活得更久。没有生命周期，Rust 编译器就无法保证引用的有效性，可能会出现悬垂指针的问题，从而导致未定义的行为。
内存安全（Memory Safety）：通过生命周期，Rust 可以在编译时检查引用是否在它们访问的数据被释放之后还被使用，从而防止诸如野指针（wild pointers）和数据竞争（data races）等问题。
更细粒度的内存管理：生命周期允许 Rust 对内存的控制达到很高的精度，它不需要垃圾回收器来周期性清理内存，而是精确地知道何时不再需要某块内存。
无运行时开销（Zero Runtime Overhead）：由于生命周期是编译时检查的，Rust 可以保证它的内存安全机制不会在运行时带来额外的性能开销。
泛型代码的适应性：在编写泛型函数或者结构体时，生命周期参数允许我们指定不同类型之间的引用关系，这可以让泛型代码处理不同上下文中的引用，保持同样的内存安全。

示例：

考虑下面的 Rust 函数：

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

这个函数接受两个字符串切片的引用并返回其中较长一个的引用。生命周期注解 'a 告诉编译器：返回的引用的生命周期将与传入的两个引用中较短的那个生命周期相同。这确保了无论函数返回 x 还是 y，返回的引用在使用时都是有效的。如果没有这些生命周期注解，编译器将无法确定返回的引用是否有效，可能会拒绝编译这段代码，或者在没有足够保证的情况下编译，从而可能导致运行时错误。

通过明确的生命周期注解，Rust 可以在没有运行时垃圾回收的情况下，提供强大的内存安全保证，同时也为开发者提供控制内存管理的精细工具。

2024年6月29日 12:07 回复

让我们看一下下面的例子。

shell
fn foo<'a, 'b>(x: &'a u32, y: &'b u32) -> &'a u32 {
    x
}

fn main() {
    let x = 12;
    let z: &u32 = {
        let y = 42;
        foo(&x, &y)
    };
}

在这里，明确的生命周期很重要。之所以能够编译，是因为的结果foo与其第一个参数 ( ) 具有相同的生命周期'a，因此它的生命周期可能比第二个参数的生命周期长。这是通过签名中的生命周期名称来表达的foo。如果你切换调用中的参数，foo编译器会抱怨它的y寿命不够长：

shell
error[E0597]: `y` does not live long enough
  --> src/main.rs:10:5
   |
9  |         foo(&y, &x)
   |              - borrow occurs here
10 |     };
   |     ^ `y` dropped here while still borrowed
11 | }
   | - borrowed value needs to live until here

2024年6月29日 12:07 回复

请注意，除了结构定义之外，该代码段中没有明确的生命周期。编译器完全能够推断main().

然而，在类型定义中，显式生命周期是不可避免的。例如，这里有一个歧义：

shell
struct RefPair(&u32, &u32);

它们应该是不同的生命周期还是应该相同？从使用角度来看，它确实很重要，struct RefPair<'a, 'b>(&'a u32, &'b u32)与struct RefPair<'a>(&'a u32, &'a u32).

现在，对于简单的情况，例如您提供的情况，理论上编译器_可以像在其他地方一样_消除生命周期，但这种情况非常有限，不值得编译器增加额外的复杂性，并且这种清晰度的提高将在至少值得怀疑。

2024年6月29日 12:07 回复

如果函数接收两个引用作为参数并返回一个引用，则该函数的实现有时可能返回第一个引用，有时返回第二个引用。无法预测给定调用将返回哪个引用。在这种情况下，不可能推断返回引用的生命周期，因为每个参数引用可能引用具有不同生命周期的不同变量绑定。明确的生命周期有助于避免或澄清这种情况。

同样，如果一个结构保存两个引用（作为两个成员字段），则该结构的成员函数有时可能返回第一个引用，有时返回第二个引用。明确的生命周期再次避免了这种歧义。

在一些简单的情况下，存在生命周期省略，编译器可以推断生命周期。

2024年6月29日 12:07 回复

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