生命週期（Lifetimes）#

生命週期（Lifetime） 是 Rust 所有權系統的延伸，確保參考在有效期間內都指向有效的資料。

你在 CH06 已學到借用檢查器（Borrow Checker）防止懸空參考。多數情況下編譯器能自動推斷，但當它無法確定時，就需要你用 生命週期標注 明確告訴它：「這個參考的有效範圍和另一個參考相關聯」。

1. 問題：編譯器無法推斷#

考慮一個回傳兩個字串切片中較長者的函數：

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fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

編譯器拒絕這段程式碼：

error[E0106]: missing lifetime specifier

問題在於：回傳值可能是 x 或 y 的參考，但編譯器不知道回傳的參考和哪個輸入的存活時間相關。若 x 先失效，而回傳值是 x 的參考，就會產生懸空參考。

2. 生命週期標注語法#

生命週期標注以 ' 開頭，慣用小寫字母如 'a、'b，寫在 & 之後：

&str        // 一般參考
&'a str     // 帶生命週期標注的參考
&'a mut str // 帶生命週期標注的可變參考

重要：標注本身 不改變 任何參考的存活時間，只是告訴編譯器多個參考之間的生命週期關係。

3. 函數中的生命週期#

解決上面的問題：用 'a 說明「回傳的參考存活時間不超過 x 和 y 中較短的那個」：

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fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

fn main() {
    let s1 = String::from("long string");
    {
        let s2 = String::from("xyz");
        let result = longest(s1.as_str(), s2.as_str());
        println!("最長的字串是：{result}"); // OK，在 s2 有效期間內使用
    }
    // 不能在這裡使用 result，因為 s2 已不在作用域
}

'a 的實際存活時間由呼叫時 x 和 y 中較短的生命週期決定。

4. 生命週期省略規則#

許多常見情況不需要標注，編譯器套用 省略規則（Elision Rules） 自動推斷。

規則一 ：每個輸入參考都有各自獨立的生命週期：

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fn foo(x: &str, y: &str) -> &str { ... }
// 等同於
fn foo<'a, 'b>(x: &'a str, y: &'b str) -> &??? str { ... }
// 此例仍無法推斷回傳值，需要手動標注

規則二 ：若只有一個輸入參考，回傳值自動使用同一個生命週期：

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fn first_word(s: &str) -> &str { ... }
// 等同於（不需要手動標注）
fn first_word<'a>(s: &'a str) -> &'a str { ... }

規則三 ：若有 &self 或 &mut self，回傳值的生命週期與 self 相同：

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impl MyStruct {
    fn get_name(&self) -> &str { ... }
    // 等同於
    fn get_name<'a>(&'a self) -> &'a str { ... }
}

三條規則套用後若仍無法確定，編譯器才要求手動標注。

5. 結構體中的生命週期#

若結構體 持有參考 ，必須標注生命週期，確保結構體存活時間不超過所持有的參考：

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struct ImportantExcerpt<'a> {
    part: &'a str,
}

fn main() {
    let novel = String::from("很久很久以前。還有很多故事...");
    let first_sentence = novel.split('。').next().unwrap();

    // excerpt 持有 first_sentence 的參考，而 first_sentence 借用自 novel
    let excerpt = ImportantExcerpt {
        part: first_sentence,
    };

    println!("{}", excerpt.part);
    // novel、first_sentence、excerpt 同時在作用域結束，安全
}

'a 告訴編譯器：ImportantExcerpt 的存活時間不能超過 part 所指向的字串資料。

結構體方法的生命週期#

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impl<'a> ImportantExcerpt<'a> {
    // 省略規則三：回傳值與 &self 同壽，不需要手動標注
    fn announce(&self, msg: &str) -> &str {
        println!("公告：{msg}");
        self.part
    }
}

6. ‘static 生命週期#

'static 表示參考在 程式整個執行期間 都有效。字串字面值的型別就是 &'static str，因為它們直接嵌入在編譯後的執行檔中：

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let s: &'static str = "我永遠有效";

注意：看到錯誤訊息建議加上 'static 時，先思考是否真的需要。通常更好的解法是修正借用關係或使用擁有所有權的型別，而非強制延長生命週期。

7. 綜合範例#

結合泛型、Trait Bound 和生命週期：

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use std::fmt::Display;

fn longest_with_msg<'a, T>(x: &'a str, y: &'a str, msg: T) -> &'a str
where
    T: Display,
{
    println!("訊息：{msg}");
    if x.len() > y.len() { x } else { y }
}

fn main() {
    let s1 = String::from("long string");
    let s2 = String::from("xyz");
    let result = longest_with_msg(&s1, &s2, "比較中...");
    println!("最長：{result}");
}

Reference#

https://doc.rust-lang.org/book/ch10-03-lifetime-syntax.html