一個關於rust生命週期的問題分析
問題描述
前些天群裡有人遇到了個rust生命週期編譯出錯的問題，幾個人討論了個大半天也沒個結果。 作為曾被rustc毒打的過來人，自然是立馬看出了問題所在，不過在群裡做了點簡單解釋，好像都沒聽懂理解。今天空下來了就寫篇文章對其作一個詳細的分析，方便其他遇到類似問題的人作個參考。 由於出現問題的原始碼比較長，不過生命週期的問題只需要看函式簽名和結構定義就夠了，為了大家好理解，我去掉不相干的結構和函式實現，簡化下大致是：
struct
Parser
{
// 。。。
}
pub
struct
ParseIter
<
‘a
>
{
parser
：
&
’a
mut
Parser
，
buf
：
&
‘a
［
u8
］，
}
impl
Parser
{
pub
fn
parse
<
’a
>
（
&
‘a
mut
self
，
buf
：
&
’a
［
u8
］）
->
Option
<&
‘a
u8
>
{
todo
！
（）
}
pub
fn
iter
<
’a
>
（
&
‘a
mut
self
，
buf
：
&
’a
［
u8
］）
->
ParseIter
<
‘a
>
{
ParseIter
{
parser
：
self
，
buf
}
}
}
定義了Parser和ParseIter結構，並試圖給ParseIter結構實現Iterator。
impl<’a> Iterator for ParseIter<‘a> {
type Item = &’a u8；
fn next（&mut self） -> Option
return self。parser。parse（self。buf）；
}
}
然後就在next方法報告如下錯誤：
error［E0495］： cannot infer an appropriate lifetime for autoref due to conflicting requirements
——> src/lib。rs：24：22
|
24 | return self。parser。parse（self。buf）；
| ^^^^^
ParseIter無法安全實現Iterator
這個問題的根本原因其實是ParseIter的結構定義中的parser欄位使用的是mut引用，導致其無法安全實現Iterator。假定其實現了Iterator，那麼看下面的程式碼：
let v1 = iter。next（）；
let v2 = iter。next（）；
在呼叫第二個next函式時，其可以對parser進行更改，就有可能改掉v1所引用的內容，甚至parser內部重新分配記憶體使v1成懸空指標。所以所有試圖對ParseIter實現的Iterator的嘗試肯定都是徒勞的。即便是用unsafe繞過編譯器檢查，也十有八九會導致UB，因為v1是不可變引用，而next內部呼叫parse函式使用的是mut引用，已經違反了rust的alias模型：要麼只有一個mut引用，要麼是多個不可變引用。
深究本質
上面是透過先假定，再匯出矛盾的反推方式，簡單直觀，方便理解，但不夠深入，其實出問題的本質原因是
透過
&‘b mut &’a mut T
，可以拿到
&‘b mut T
，但不能拿到
&’a mut T
；
透過
&‘b mut &’a T
，可以拿到
&‘b T
，而且也能拿到
&’a T
；
為方便分析，我把省略的生命週期標記出來。
impl<‘a> Iterator for ParseIter<’a> {
type Item = &‘a u8；
fn next<’b>（self： &‘b mut ParseIter<’a>） -> Option<&‘a u8> {
let buf： &’a ［u8］ = self。buf； // compile ok
let parser： &‘a mut Parser = self。parser； // compile error
return parser。parse（buf）；
}
}
其中，self的型別是
&’b mut ParseIter<‘a>
，因此ParseIter裡的buf，可以類似為
&’b mut &‘a［u8］
， 而parser類似是
&’b mut &‘a mutParser
。
let buf：&’a ［u8］ = self。buf
，其實為透過
&‘b mut &’a T
拿到
&‘a T
，因此是編譯透過的；
而
let parser：&’a mut Parser = self。parser
，類似試圖透過
&‘b mut &’a mut T
拿
&‘a mut T
，顯然就導致編譯報錯了。
憑啥mut就這麼特殊？
大家都知道rust對巢狀引用有自動解引用的功能，但是所解的引用的生命週期卻很少有人提。根據Deref和DerefMut的定義：
fn deref<’b>（&‘b self） -> &’b Self：：Target；
fn deref_mut<‘b>（&’b mut self） -> &‘b mut Self：：Target；
可知，解引用後得到的引用的生命週期是最外層引用的生命週期。
&’a mut T
實現了DerefMut有：
DerefMut：：deref_mut<‘b>（self： &’b mut &’a mut T） -> &‘b mut T；
也就是透過
&’b mut &‘a mut T
，可以拿到
&’b mut T
。
&‘a T
實現了Deref有：
&’b mut &‘a T——>&’b &‘a T——>&’b T
。
那為啥透過
&‘b mut &’a T
，可以拿到
&‘a T
呢？這就得提到Clone和Copy這兩個基礎trait了。 他們的定義如下：
pub trait Clone： Sized {
fn clone<’b>（&‘b self） -> Self；
}
pub trait Copy ： Clone {
}
根據alias規則，不可變引用可以存在多個例項，其本身也就一指標，size不大，所以標準庫對
&’a T
實現了Copy和Clone，也就是：
clone（&‘b &’a T）->&‘a T
，因此有：
&’b mut &‘a T——>&’b &‘a T——>&’a T
。
而mut引用必然是獨佔的，因此不可能實現Copy和Clone。
總結
rust裡的生命週期，所有權，alias模型和基礎trait等都是息息相關的，只有思考理解透徹才能融會貫通。