在 Rust 中与生命周期的子类型关系作斗争

Posted 2023-02-19

【中文标题】在 Rust 中与生命周期的子类型关系作斗争

【英文标题】：Struggling with the subtyping relation of lifetimes in Rust

【发布时间】：2014-10-13 23:35:31

【问题描述】：

我多次浏览了 Rust 文档的 marker section 和关于 subtyping 和 variance 的***文章，却没有提高我对生命周期子类型关系的理解，我感到很愚蠢。

我想我只是习惯了“典型的 OOP 风格”子关系，例如“Cat <: animal t s>

但这如何适用于生命周期？现在在 Rust 中定义的方式显然是(*)

(#1) 'a <:> 生命周期 a 不长于生命周期 b。

你可能会想“当然就是这个意思！”可能是因为 <:>子类型吗？让我们尝试应用 Wikipedia 对子类型关系的定义：

(#2) 'a <:> 生命周期 a 可以安全地用于预期生命周期 b 的上下文中。

我的问题是我无法协调这一点。你如何从#2 到#1？因为对我来说，这似乎是一个矛盾...如果您期望某物至少在 b 内还活着，并且您的某物的生命期 a 比 b 短，那么您显然不能在某物的生命期为 b 的情况下使用它是必需的，可以吗？是我一个人，还是我们把一生的子类型关系弄错了？

编辑：(*) 根据 #rust IRC 频道中的 Ms2ger 所说，情况就是这样。它还符合在 Items 迭代器中使用的逆变生命周期标记的文档。

Edit2：ConvariantLifetime 和 CovariantLifetime 标记已被移除。我们现在在 marker 模块中替换了 PhantomData。

【问题讨论】：

Rust 的生命周期概念的灵感来自另一种称为 Cyclone 的编程语言及其类似的区域概念。 Region-Based Memory Management in Cyclone 的第 2.3 节讨论了区域子类型化，可能会有所帮助！我相信a <: b <=> lifetime b is no longer than lifetime a。

我认为this 讨论可能有用。

@mwhittaker：如果你没记错的话，这将与 Rust 中为生命周期定义“子类型”的方式相反。

@sellibitze，我认为你是对的！ Rust 和 Cyclone 中子类型的定义似乎是相反的。这是我之前链接的论文的摘录，它使 Cyclone 的子类型规则相当明确：“我们观察到，如果对应于p1 的区域比对应于p2 的区域寿命长，那么使用@987654333 类型的值是合理的@ 我们期望 *p2"

类型之一

链接的 GitHub 问题的解决方案是，“生命周期不是类型，因此没有子类型顺序；但是，它们确实有一个由区域包含给出的顺序。”

【参考方案1】：

免责声明：我不完全是 CS 大师，所以这个答案将侧重于实际概念，我什至不会尝试将其与理论概念联系起来，以免我把事情弄得一团糟。 p>

我认为问题在于试图将子类型概念应用于不是类型的东西。

'a 是一生 &'a T 是一个类型

您可以比较&'a T和&'b U，看看它们是否遵循子类型关系，但您无法在摘要中建立具有两个生命周期的子类型关系，因为：

有时，为了可替换，新的生命周期必须大于被替换的生命周期。 有时，为了可替换，新的生命周期必须小于被替换的生命周期。

我们可以通过两个简单的例子来验证这一点。

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第一个例子可能是最简单的：如果生命周期更大，可以替换它！

//  Using a lifetime as a bound
struct Reference<'a, T>
    where T: 'a

    data: &'a T


fn switch<'a, 'b, T>(r: &mut Reference<'a, T>, new: &'b T)
    where 'b: 'a

    r.data = new;

这里，编译器仅在 'b 至少与 'a 一样大时才允许替换，'a 由生命周期限制 'b: 'a 表示。这是因为 Rust 厌恶悬空引用，因此容器可能只包含对比它寿命更长的对象的引用。

当用作保证时，较长的生命周期是较短生命周期的子类型，可以用它来代替。这暗示了@aturon 提到的，在这种用法中'static 是所有生命周期的子类型。

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第二个例子有点棘手：如果生命周期更短，则可以替换它！

让我们从以下开始：

struct Token;

fn restrict<'a, 'b, T>(original: &'a T, _: &'b Token) -> &'b T
    where 'a: 'b

    original

以下用法正确：

fn main() 
    let i = 4;

    
        let lesser = Token;
        let k = restrict(&i, &lesser);
        println!("", k);
    

我们之前的演示说我们可以用更长的寿命代替更短的寿命：

fn main() 
    let greater = Token;
    let j;  // prevent unification of lifetimes

    
        let i = 4;
        j = restrict(&i, &greater);
    
    println!("", j);


error: `i` does not live long enough
j = restrict(&i, &greater);

当用作约束时，较短的生命周期是较长生命周期的子类型，可以被替换。在这种用法中，'static 是所有生命周期的超类型。

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因此，生命周期之间没有单一的子类型关系，因为它们服务于两个完全相反的目的！

总结一下：

当用作保证时：greater <: lesser 当用作约束时：lesser <: greater

注意：一些生命周期可以同时作为保证和约束。

【讨论】：

我猜这里的关键词是协方差（如果F是协变的，那么a <: b暗示F(a) <: F(b)）和逆变（如果F是逆变的，a <: b暗示F(b) <: F(a)） .

@Rhymoid：谢谢！ （我倾向于永远不记得哪个是哪个......）