原文标题：Understanding Rust Lifetimes
原文链接：https://medium.com/nearprotocol/understanding-rust-lifetimes-e813bcd405fa
公众号： Rust 碎碎念
翻译 by： Praying

引言

对于生命周期，需要记住的第一件事就是，它们全都是关于引用（references）的，与其他东西无关。例如，当我们看到一个带有生命周期（lifetime）类型参数的结构体时，它指的是这个结构体所拥有的引用的生命周期，再无其他。不存在结构体的生命周期或者闭包的生命周期，只有结构体或闭包内部引用的生命周期。因此，我们对生命周期的讨论会不可避免地涉及到 Rust 引用。

生命周期背后的动机

要理解生命周期，我们首先需要理解其背后的动机，这就要求我们先理解借用规则背后的动机。借用规则中指出：

在代码中，存在对重叠内存的引用，也称为别名（aliasing），它们中至少有一个会变更（mutate）内存中的内容。

同时变更是不允许的，因为这样是不安全的，并且它阻碍编译器进行各种优化。

示例

假定我们现在想要写一个函数，该函数将一个坐标沿着 x 轴在给定方向上移动两倍的距离。

struct Coords {
  pub x: i64,
  pub y: i64,
}
fn shift_x_twice(coords: &mut Coords, delta: &i64) {
  coords.x += *delta;
  coords.x += *delta;
}

fn main() {
  let mut a = Coords{x: 10, y: 10};
  let delta_a = 10;
  shift_x_twice(&mut a, &delta_a);  // All good.

  let mut b = Coords{x: 10, y: 10};
  let delta_b = &b.x;
  // shift_x_twice(&mut b, delta_b);  // Compilation failure.
}

最后一条语句会把坐标移动三倍距离而不是两倍，这可能会在生产系统中引发各种 bug。关键问题在于，delta_b和&mut b指向一块重叠的内存，而这在 Rust 中是被生命周期和借用规则所阻止的。尤其是，Rust 编译器会提醒，delta_b要求持有一个b的不可变引用直到main()结束，但是在那个作用域内，我们还试图创建一个b的可变引用，这是被禁止的。

为了能够进行借用规则检查，编译器需要知道所有引用的生命周期。在很多情况下，编译器能够自己推导出生命周期，但是有些情况它无法完成，这就需要开发者手动的对生命周期进行标注。此外，编译器还给开发者提供了工具，例如，我们可以要求所有实现了某个特定 trait 的结构体，其所有引用至少在给定的时间段内都是有效的。

对比 Rust 的引用和 C++中的引用，在 C++中，我们也可以有常量（const）和非常量（non-const）引用，类似于 Rust 中的&x和&mut x。但是，C++中没有生命周期。常量引用（const reference）能够帮助 C++编译器进行优化，但是它们不能给出完整的安全性保证。所以，上面的示例如果用 C++来写是可以编译通过的。

脱糖（Desugaring）

在我们深入理解生命周期之前，我们需要弄清生命周期是什么，因为各种 Rust 文档用生命周期这个词既指代作用域（scope）也指代类型参数（type-parameter）。在这里，我们用生命周期（lifetime ） 表示一个作用域，用生命周期参数（lifetime-parameter ） 来表示一个参数，编译器会用一个真正的生命周期来替换这个参数，就像它在推导泛型时那样。

示例

为了让解释更加清晰，我们将会对一些 Rust 代码进行脱糖（译注：指脱去语法糖）。考虑下面的代码：

fn announce(value: &impl Display) {
  println!("Behold! {}!", value);
}

fn main() {
 let num = 42;
 let num_ref = #
 announce(num_ref);
}

下面是脱糖的版本：

fn announce<'a, T>(value: &'a T) where T: Display {
    println!("Behold! {}!", value);
}
fn main() {
'x: {
    let num = 42;
    'y: {
        let num_ref = &'y num;
        'z: {
            announce(num_ref);
        }
    }
}
}

后面脱糖的代码使用生命周期参数'a和生命周期/作用域'x，'y进行了显式的标注。

我们还使用impl Display来比较生命周期参数和一般的类型参数。注意这里语法糖是如何把生命周期参数'a和类型参数T都隐藏起来的。注意，作用域并不是 Rust 语法的一部分，我们只是用它来标注，所以脱糖后的代码是无法编译的。而且，在这个以及后面的示例中，我们忽略了在 Rust 2018 中加入的非词法生命周期（non-lexical lifetimes）以简化我们的解释。

子类型

从技术角度看，生命周期不是一个类型，因为我们无法像u64或者Vec<T>这样的普通的类型一样构建一个生命周期的实例。然而，当我们对函数或结构进行参数化时，生命周期参数就像类型参数一样被使用，请看上面的announce示例。另外，我们后面会看到的变型规则（Variance Rule）也会像使用类型一样使用生命周期，所以我们在本文中也会称之为类型。

比较生命周期和普通类型、生命周期参数和普通类型参数是有用的：

• 当编译器为一个普通类型参数推导类型时，如果有多个类型可以满足类型参数，编译器就会报错。而在生命周期的情况下，如果有多个生命周期可以满足给定的生命周期参数，编译器将会使用最小的那个生命周期。