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>(_: &T) {
    println!("{}", std::any::type_name::<T>())
}

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：

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>(_: &T) {
 println!("{}", std::any::type_name::<T>())
}

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

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

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？

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

fn second<'a>(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<'a>；
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<'a>(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。

悬挂引用是如何被Rust消灭的？

一 引用的内存模型

二 悬挂引用问题

三 策略1：借用检查器检查引用的生命周期

四 策略2：函数定义中，不能返回所有权属于函数的引用

五 策略3：函数签名生命周期标注