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悬挂引用是如何被Rust消灭的?


Rust承诺:引用始终有效。

可是,Rust引用并没有堆变量的生杀大权“Ownership”,对于堆变量,只能借来用用,充其量借来改改(再还回去),那么Rust是如何保障引用的权益呢?

在面对悬挂引用问题之前,我们先复习下Rust引用。

一 引用的内存模型

fn print_type_of(_: &T) {
println!("{}", std::any::type_name::())
}

fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let s = &s1;

print_type_of(& s1);
print_type_of(& s);
}

上面代码里,堆上有一个String“hello”,在栈上有对应其所有权变量s1,以及一个临时的引用借用s。代码内存模型如下:

悬挂引用是如何被Rust消灭的? 1

s和s1,是两种不同的类型,可以用下面的代码把类型打印来看。之所以s和s1用起来没差别,是因为引用s能自动解引用。

fn print_type_of(_: &T) {
println!("{}", std::any::type_name::())
}

fn main() {
let s1 = String::from("hello");
let s = &s1;

print_type_of(& s1);
print_type_of(& s);
}

悬挂引用是如何被Rust消灭的? 2

二 悬挂引用问题

在C++里,当我们说到指针带来的内存安全问题时,就会提到

空指针(null pointer):指针值为Null;

野指针(wild pointer):未经初始化的“垃圾值”地址;

悬挂指针(dangling pointer):指向已经释放的地址;

在Rust里,由于没有空值Null,所以并没有空引用问题;编译期进行初始化检查,所以也没有野引用问题。那么再看悬挂,Rust是否存在下面这种场景:当s1通过赋值将所有权转移给s2,s变成悬挂引用?

悬挂引用是如何被Rust消灭的? 3

答案是:不会。

Rust必须在编译期就能检查出来引用的有效性。

三 策略1:借用检查器检查引用的生命周期

{
let r; // ---------+-- 'a
// |
{ // |
let x = 5; // -+-- 'b |
r = &x; // | |
} // -+ |
// |
println!("r: {}", r); // |
} // ---------+

引用一个Rust文档The Rust Programming Language“的case,上面代码用注释,分别给出了引用r和数据x的生命周期。编译时当借用检查器发现,数据x的生命周期’b明显比r的生命周期’a短,为避免r成为悬挂引用,编译就无法通过,得到错误error[E0597]: ‘x’ does not live long enough。

引用的生命周期,不能短于所引用数据的生命周期。

Rust会检查所有的可能性,包括控制条件里的所有可能路径。下面代码在编译时依然会得到error[E0597]: ‘x’ does not live long enough:

{
let y = 6; // --------------------+-- 'a
let r; // ------+-- 'b |
{ // | |
let x = 5; // ------|-------+--'c |
if x > y{ // | | |
r = &x; // | | |
} // | | |
else{ // | | |
r = &y; // | | |
} // | | |
} // ------|-------+ |
println!("r: {}", r); // | |
// ------+ |
} // --------------------+

为了更方便的理解引用的生命周期,我们可以考虑Rust黑话“借用”(borrow)的反面:归还(return)。如果一个“借用”没有再次使用,即视为“归还”。

在文章Rust所有权,可转可借“中,有个体现引用“借与还”的例子,即使是连续的进行不可变借用、可变借用,只要生命周期没有重叠,也可以编译通过:

{
let mut x = String::from("Hello"); // ----------------+-- 'a
x.push_str(", world"); // |
let r1 = &x; // -----'b |
let r2 = &mut x; // -----'c |
let r3 = &mut x; // ---+-'d |
r3.push_str("!"); // | |
println!("r3: {}", r3); // | |
// ---+ |
} // ----------------+

四 策略2:函数定义中,不能返回所有权属于函数的引用

我们将策略1中的第1个例子,改成函数定义的场景:

fn test(r:&i32)-> &i32{
let x = 5;
println!("r is: {}", r);
&x
}

和策略1的情况类似,但这次我们没有得到error[E0597]: ‘x’ does not live long enough,而是得到error[E0515]: cannot return reference to local variable ‘x’。

在函数里创建的数据,不能将其引用作为返回值。因为函数调用结束后,所有权属于函数的数据,将会自动释放,这样会违反策略1。

据此,我们得到一条推论:凡是函数返回的引用,都是参数传进来的。

五 策略3:函数签名生命周期标注

编译器的局限

前两种策略对应的情况,编译器可以自己计算出引用的生命周期,并与实际数据生命周期进行比较,从而判断是否存在悬挂引用。但是,编译器并不总能做出判断。

{
let y = 6; //----------------------+--'a
let r1; //--------+--'c |
let r2; //--------|------+--'b |
{ // | | |
let x = 5; //--+--'d | | |
r1 = bigger(&x, &y); // | | | |
r2 = second(&x, &y); // | | | |
println!("{}", r1); // | | | |
} //--+ | | |
println!("{}", r2); //--------+ | |
//---------------+ |
} //----------------------+

上面代码中,函数bigger和函数second把对&x和&y的操作进行了封装,那么在调用的这个上下文context中,就等于切断了&x、&y与r1和r2的直接关联。

如果不是内联函数(inline),编译器在编译时并不会展开函数定义,所以此时Rust的借用检查器,并不知道函数bigger和second到底会返回什么,进而无法进行比较。

借用检查器的困惑:

r1的生命周期’c是和x的生命周期’d比呢?还是和y的生命周期’a比?

r2的生命周期’b是和x的生命周期’d比呢?还是和y的生命周期’a比?

fn bigger(s: &i32, t: &i32) -> &i32{
if s > t{
s
}
else{
t
}
}

fn second(s: & i32, t: & i32) -> &i32{
t
}

函数定义如上。进行编译,会得到error[E0106]: missing lifetime specifier,意思是“缺少生命周期标注”。

输入和输出生命周期标注

既然Rust编译器缺少判断依据,那么我们要怎么提供给它呢?对输入和输出生命周期进行人工标注。

标注如下,再次编译,通过。

fn bigger(s: &'a i32, t: &'a i32) -> &'a i32{
if s > t{
s
}
else{
t
}
}

fn second(s: & i32, t: &'a i32) -> &'a i32{
t
}

在bigger函数签名上的标注表示:输入s和t,必须和返回值存活相同的时长。

在second函数签名上的标注表示:只有输入t,必须和返回值存活相同的时长。

标注规则

只需在函数签名上进行标注;

**生命周期用’开头,后面跟一个全小写字符,比如’a;**

**用尖括号在函数名与参数列表之间声明泛型生命周期参数,例如;**

**标注’a并不是一段具体的存活时长,只要满足约束关系即可;**

**泛型’a会被具体化为x与y两者中生命周期较短的那一个;**

生命周期标注的本质:解决函数调用导致的输入参数与输出的生命周期关系的断开,使之重新关联上。

函数实现与签名标注的兼容

此时,不知道你的心里会不会还有最后一丝迟疑:如果我在函数签名上标注了泛型生命周期,谁来保证函数体实现确实遵循了这个标注呢?

答案是:Rust编译器保证。

还是前面的例子,函数的签名上,改成输入参数s,和输出标注相同的生命周期’a,但是实现上却返回了参数t,编译器报错:error[E0621]: explicit lifetime required in the type of t。

fn second(s: &'a i32, t: & i32) -> &'a i32{
t
}

总的来说,基于函数签名的生命周期标注,联结了函数调用方和函数实现方,就像定义了一个标准,颇有依赖反转(DIP,Dependence Inversion Principle)的意味:

函数实现处,必须兼容签名,由Rust编译器进行检查;

函数调用处,必须遵守签名,由Rust编译器进行检查;

六 结尾

本文主要分析Rust消灭悬挂引用的核心策略,关于引用生命周期,还有很多细节和规则,可以参考Validating References with Lifetimes“。

基于此,Rust悬挂引用,无所遁形。

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