与Rust编译器的斗争- 4

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假设我们有一个整数数组,我们想遍历偶数。我们可以使用Iterator::filter()方法,让我们尝试手动实现它,因为这样做将使我们对Rust的生命周期规则有更深入的了解。

代码如下:

struct Numbers<'a> {
    data: &'a Vec<i32>,
    even_idx: usize,
}

impl<'a> Numbers<'a> {
    pub fn new(data: &'a Vec<i32>) -> Self {
        Self{ data, even_idx: 0 }
    }

    pub fn next_even(&mut self) -> Option<&i32> {
        while let Some(x) = self.get(self.even_idx) {
            self.even_idx += 1;
            if *x % 2 == 0 { return Some(x); }
        }
        None
    }

    fn get(&self, idx: usize) -> Option<&i32> {
        if idx < self.data.len() { 
            Some(&self.data[idx])
        } else {
            None
        }
    }
}

fn main() {
    let xs = vec![1,2,3,4,5,6,7,8,9];
    let mut numbers = Numbers::new(&xs);
    while let Some(x) = numbers.next_even() {
        println!("{}", x);
    }
}

首先,注意struct Number<'a>的生命周期说明符'a。这是必需的,因为Number结构体有一个对vector的引用,即data: &'a Vec。换句话说,如果原始数据Vector超出作用域,结构体Number就不能存在。这在new(data: &'a Vec)方法签名中也很明显。

这里的生命周期'a并不表示Number对象本身的生命周期。它是原始Vector实例的生命周期!

让我们看看编译器对上面的代码是怎么说的:

error[E0506]: cannot assign to `self.even_idx` because it is borrowed
  --> src/main.rs:13:13
   |
11 |     pub fn next_even(&mut self) -> Option<&i32> {
   |                      - let's call the lifetime of this reference `'1`
12 |         while let Some(x) = self.get(self.even_idx) {
   |                             ----------------------- `self.even_idx` is borrowed here
13 |             self.even_idx += 1;
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ `self.even_idx` is assigned to here but it was already borrowed
14 |             if *x % 2 == 0 { return Some(x); }
   |                                     ------- returning this value requires that `*self` is borrowed for `'1`

让我们尝试从编译器错误消息中理解每个语句。首先,编译器告诉我们应该假设&mut self的生命周期为'1 ,这是Number对象实例本身。如前所述,Number实例生命周期不是'a,这就是编译器给它'1的原因。实际上,用生命周期的名称会让代码更清晰一些,我们将使用与main()函数中的变量名相同的生命周期名称。

let xs = vec![1,2,3,4,5,6,7,8,9];
let mut numbers = Numbers::new(&xs);

也就是说,对于xs对象,生命周期名称为'xs ',对于numbers对象,生命周期名称为'numbers,这将真正帮助我们理解编译器消息。

代码修改如下:

struct Numbers<'xs> {
    data: &'xs Vec<i32>,
    even_idx: usize,
}

impl<'xs> Numbers<'xs> {
    pub fn new(data: &'xs Vec<i32>) -> Self {
        Self{ data, even_idx: 0 }
    }

    pub fn next_even<'numbers>(&'numbers mut self) -> Option<&i32> {
        while let Some(x) = self.get(self.even_idx) {
            self.even_idx += 1;
            if *x % 2 == 0 { return Some(x); }
        }
        None
    }

    fn get<'numbers>(&'numbers self, idx: usize) -> Option<&i32> {
        if idx < self.data.len() { 
            Some(&self.data[idx])
        } else {
            None
        }
    }
}

fn main() {
    let xs = vec![1,2,3,4,5,6,7,8,9];
    let mut numbers = Numbers::new(&xs);
    while let Some(x) = numbers.next_even() {
        println!("{}", x);
    }
}

现在,让我们再次查看编译器消息。

error[E0506]: cannot assign to `self.even_idx` because it is borrowed
  --> src/main.rs:40:13
   |
38 |     pub fn next_even<'numbers>(&'numbers mut self) -> Option<&i32> {
   |                      -------- lifetime `'numbers` defined here
39 |         while let Some(x) = self.get(self.even_idx) {
   |                             ----------------------- `self.even_idx` is borrowed here
40 |             self.even_idx += 1;
   |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^ `self.even_idx` is assigned to here but it was already borrowed
41 |             if *x % 2 == 0 { return Some(x); }
   |                                     ------- returning this value requires that `*self` is borrowed for `'numbers`

现在,信息:"'self.even_idx' is borrowed here"是有意义的,因为我们的Numbers::get()方法确实借用了Numbers对象本身。由于我们data的生命周期为'xs,因此我们期望返回值的生命周期为'xs,而不是'numbers。

不知何故,Some(x)具有'numbers而不是'xs的生命周期。为什么会这样?跟踪x的来源,我们看到它来自我们的方法Numbers::get()。这是否意味着该方法返回Option<&'numbers i32>而不是Option<&'xs i32>?让我们显式地指定方法next_even()和get()返回的生命周期:

pub fn next_even<'numbers>(&'numbers mut self) -> Option<&'xs i32> {
    while let Some(x) = self.get(self.even_idx) {
        self.even_idx += 1;
        if *x % 2 == 0 { return Some(x); }
    }
    None
}

fn get<'numbers>(&'numbers self, idx: usize) -> Option<&'xs i32> {
    if idx < self.data.len() { 
        Some(&self.data[idx])
    } else {
        None
    }
}

惊喜!有了这个最后的更改,编译就成功了,我们得到了预期的结果。那么,根本原因是什么?这是因为省略生命周期导致的,基本上,如果Rust可以推断出合理的生命周期,那么生命周期规范可以被省略。不幸的是,这并不总是有效的。在我们的get()方法中,只有一个输入参数&self有生命周期,所以它的输出Option<&i32>被假定为与输入具有相同的生命周期,即'numbers而不是'xs,这就是问题的根源。

总结

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