Rust类型系统中的生命周期

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Rust类型系统中的生命周期

[2024-04-11 更新] 修正了一些错误，采纳了一些读者反馈可以增加的解释，在此表示感谢。

Rust的生命周期应被视为类型系统的一部分。这是我的粗浅理解，理解错误难免，若发现恳请斧正！
以下几节试图渐进地、但从不同角度理解该问题；只要看懂一节也许就足够了，所以可以都看看？
提示：如果您有函数式编程基础，这篇文章看起来会很幼稚。“不就是一堆monad吗？”

一开始看到生命周期和泛型写在一起也许会感到诧异：但事实上生命周期就是类型系统的一部分，泛型指明某一值能进行什么运算，生命周期指明某一值在什么区间内才有效、才可以参与运算。既然能接受泛型加入类型系统并参与类型的运算，生命周期也应同理。
贴段代码大伙大概感受一下：

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use std::fmt::Display;

fn longest_with_an_announcement<'a, T>(x: &'a str, y: &'a str, ann: T) -> &'a str
    where T: Display
{
    println!("Announcement! {}", ann);
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

x,y是字符串slice，在C/C++中对应字符串指针；在C语言中，这样的指针在字符串失效后有可能仍被调用（悬垂指针），就带来危险。而Rust如何解决这一问题呢？答案是通过所有权机制和生命周期，确认值的有效期究竟何时开始，何时结束（这就称为生命周期），禁止在值的生命周期外进行引用、读取、修改等操作。
Rust里没有“赋值”，只有“绑定”：我们把一个变量名绑定到一个值上，因此这些生命周期注解，仍旧针对的是值：它是一些实际存在的值（字面量、变量储存的值、函数、闭包……）的固有属性，不是虚无缥缈的。

📘 根据现代Rust自带的一些约束推导规则，~95%的情况下生命周期注解能被编译器自动推断。但手动的注解有时无法避免：尤其是结构体中。

在这个例子中，由于这个if的存在，Rust编译器无法判断返回值的有效期到底和x一样还是和y一样。
我们要添加类型推断（是的，生命周期也是一种泛型），x、y具有同名的生命周期注解’a，根据规则’a取x和y生命周期的交集：x,y都有效时，返回值一定有效！这样就避免了C/C++中悬垂指针带来的危险。

也许有人会问，为什么调用该函数时，如果传入的参数生命周期不同，会取较短的？
我们要在集合论的角度考虑：我们说想要一只动物，那么给与可爱的猫是可以接受的，因为猫是动物的子集。事实上，子集（$\subseteq$）是一种偏序关系。而生命周期也存在一种偏序关系：我们把这种关系叫subtype。假设对于两个生命周期L1和生命周期L2，且有L1是L2的subtype，那我们就记作'L1<:'L2，vice versa.
显然，生命周期越长越“好”（也就是泛用）。所以一开始我们就知道'long <: 'short，也就是长寿的可以自裁(cast过去)变成短命的，但是短命的没法强行续命变成长命的（类比上面猫与动物的例子，我们要求一个参数需要有特定生命周期时，更长的甚至static都是可以接受的，但绝不能更短：否则Rust布道者赖以为生的内存安全要出事了）。
当然，还有一个显然：'static是所有类型的subtype.
(不用太纠结为什么是'long <: 'short，偏序关系倒过来没有本质区别，这边只是强调'long更好，物以稀为贵，所以“更少”就放左边了)
什么意思呢？简而言之，L1的约束比L2更松。我们看一个例子，讨论函数间的偏序关系：

  • 假设有函数f1(x)和f2(x)，唯一的区别是f1对传进来的x的生命周期的最低要求更长，那么能用f1的地方就能用f2，但能用f2的地方不一定能用f1，因此f2更泛用，f2≼f1
  • 假设有函数f1()->x和f2()->x，唯一的区别是f1的返回值x的生命周期比f2的长，那么需要其返回值的地方能用f2就一定能用f1，反之则不然，因此f1更泛用，f1≼f2
  • 思考题：那mut&'a T和T呢？见下文
  • 就像int32可以转int64（数据范围更难满足->数据范围更易满足）而反之不行一样单向，subtype可以向右侧cast（长命百岁->至少活10年）；但反之是不安全的。
  • 因此，约束关系推导出来的最终生命周期是最严格的，宁可错杀一千也不会放过一个；就是可能有些人工检查过，可以保证安全的操作会被笨笨的生命周期约束拦下：这时就需要你动用unsafe黑魔法了

所以现在我们要把生命周期理解为类型系统的一部分时，困惑可能来源于为什么不像整形一样规则简单（小int永远是大int的subtype），而包含生命周期的类型系统则有时并不如此：可能不存在这个偏序关系，也可能反过来下克上。
我们要明确，函数签名之类的是对类型进行的一种运算。你可以理解为函数对值运算，而函数签名对类型进行运算。是不是有点像物理上的量纲分析！。
换言之，这些带泛型或者生命周期的东西（不管是Vec<T>还是<T>T->T，别忘了函数也是类型一种类型，也属于T），本质上是类型之间的Functor.
因此，我们可以把上一节的f1 f2都拆开来看，当作一种运算，看看他对生命周期做了什么。
例如，对于函数参数，参数受较短生命周期的约束——如上一节分析的那样——我们发现'long <: 'short => F('short) <: F('long) (颠倒了！剧透：这叫逆变(contravariance))，而长寿者可以降级为短命者；而对返回值来说，恰恰相反：我们只知道至少可以活多么久，活更长对于使用返回值的表达式来说也一定可以接受，此时'long <: 'short => (F()->'long) <: (F()->'short)（关系保持！剧透：这叫协变(covariance)）……其中，<:左右两侧的表达式——或者说函数签名——正对应上一节的f1 f2，我们只是把≼换成了<:。 

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颠倒了的就是contravariant，不变就是covariant，根本没法推出关系的就是invariant.

invariant就是上面思考题那种。至于原因，最后一节会有个特别轻松易懂的解释:)

为什么要搞得这么数学（离散数学/范畴论）？因为当类型系统的偏序关系网浮出水面，系统里隐含的约束也就能被自然推导。
如果对于用到的类型，这个偏序集合是格（有上下确界），那么编译器会开心的帮你标记好一切生命周期；
如果没有办法cast导致编译器在约束求解中无法找出某些类型的上下确界，甚至出现了环——不好意思，还是得另请高明（程序员）来标清楚。
例如上面那段代码为两个参数都标注'a其实等效于在a、b固有的、不受约束的生命周期（远古版本反人体工程学rust必须写明所有生命周期，现在能自动推导绝大部分）中添加了两条约束：

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fn longer<'a, 'b>(s1: &'a str, s2: &'b str) -> &'a str where 'a:'b, 'b:'a {
    if s2.len() > s1.len() {
        s2
    } else {
        s1
    }
}

也就是对x和y分别绑定的值，其生命周期’a与’b有{‘a≼’b,’b≼’a}，也就是{‘a:’b, ‘b:’a}（显然可以推出’a==’b）。
因此在手动指定后，在需要用到生命周期的地方，这两个参数以及返回值的生命周期就可以被推导啦：为了让他们相等，编译器要根据基本法把长的生命周期cast到短的上。
最终效果就是取传参生命周期较短者。注意这时我们在谈论的是参数，不是整个函数发生了什么质变。
……是的，其实日常根本就没有多少情况需要你操心函数参数的那个contravariant！可以松口气了。
当然，根据上文所述，这样推导出来的生命周期约束是怎么严格怎么来，但记住：如果你被搞晕了，那就相信你的直觉；程序是人设计为人服务的，因此绝大部分情况下生命周期的限制是符合直觉的（也就是你可以使用“显然”这一词）。
What a relief.

有没有想过一些运算过后，偏序关系不一定会保留/颠倒，还有可能会直接丢失！
那么对这种情况，非常推荐阅读关于subtyping, variance(covariant, invariant, contravariant) 的参考资料：
Subtyping and Variance - The Rustonomicon
我将文中的表格附在此处：

Type ‘a T U
&’a T covariant covariant
&’a mut T covariant invariant
Box covariant
Vec covariant
UnsafeCell invariant
Cell invariant
fn(T) -> U contravariant covariant
*const T covariant
*mut T invariant

然后你会发现倒过来（contravariant, 逆变）的其实就只有这个函数参数。
然后你还会注意到，那些invariant的不变量是不是都提供内部不变性，换言之，本质上都是一种指针？
我可以提供一个绝妙的角度：想想C/C++的指针类型定义, 指针本身是不是const，这和指针的内容（指向的对象）是不是const有啥关系吗？当然没有！
所以某种意义上，你可以把const理解为很粗糙的生命周期约束，我们Rust更精细的系统里，他叫'static.