1.12.1. 生命週期變異性

變異性是 Rust 型別系統中的概念。它描述了泛型參數——特別是生命週期參數——在型別層級結構中彼此之間的關係。

我們可以簡單地將它視為變異性描述了哪些型別是其他型別的「子型別」，其中「子型別」與 Java 和 C# 中使用的概念有些相似。

此外，變異性也關心「子型別」何時可以替換「父型別」，反之亦然。

一般來說，如果 A 是 B 的子型別，那麼 A 至少與 B 一樣有用。這裡有一個 Rust 的例子：如果一個函式接受 &'a str，那麼可以傳入 &'static str。因為 'static 是 'a 的子型別，'static 的存活時間至少與任何 'a 一樣長（而且 'static 可以對整個程式保持有效）。

1.12.2. 三種生命週期變異性

所有型別都有變異性。每個型別所關聯的變異性，定義了哪些相似型別可以用於該型別的位置。

注意：以下內容相當困難。建議您先回想高中數學中充分條件與必要條件的概念。

1. Covariant

Covariant 表示型別只能被「子型別」替換。

Covariance 意味著：

if A <: B (A is a subtype of B), then F<A> <: F<B> (F<A> is also a subtype of F<B>)

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這是一種由小到大的傳遞繼承關係，類似於從充分條件進行推理：如果 A 成立，那麼 B 也必定成立（A 是 B 的充分條件）。

例如，&'static T 可以替換 &'a T，因為 &T 對生命週期 'a 是 covariant 的，因此 'a 可以被其子型別之一（如 'static）替換。

2. Invariant

Invariant 表示您必須提供完全指定的型別。

Invariance 意味著：

A <: B cannot imply F<A> <: F<B>, and F<B> <: F<A> also cannot be inferred

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這意味著 F<A> 與 F<B> 之間沒有足夠的關係可以從另一方推導，因此它們既不是充分條件也不是必要條件；它們是獨立的。

例如，可變參考 &mut T 對 T 是 invariant 的。

3. Contravariant

Contravariance 意味著：

if A <: B (A is a subtype of B), then F<B> <: F<A> (F<B> is instead a subtype of F<A>)

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這裡的邏輯是：「為了使 F<A> 成立，B 必須滿足 A 的條件」，這更像是必要條件：如果 B 成立，那麼 A 也必須成立（A 是 B 的必要條件）。

您可以將 contravariance 視為「關係朝相反方向移動」：函式對其參數的要求越低，它能處理的案例範圍就越大。

這裡有兩個例子：

  • 假設有兩個變數，x1 和 x2，其中 x1 的生命週期為 'static，x2 的生命週期為 'a。那麼很明顯 x1 比 x2 更有用，因為它的存活時間更長。

  • 假設有兩個函式，take_func1 和 take_func2，其中 take_func1 接受 &'static str，take_func2 接受 &'a str。很明顯，take_func1 對其參數的要求更嚴格，這意味著 take_func1 的用途不如 take_func2 廣泛。

從上面的兩個例子我們可以看到，給變數更長的生命週期會使其更有用，但要求函式參數具有更長的生命週期則會使函式用途較少。這就是 contravariance。

那麼什麼對什麼是 contravariant 呢？它是函式對其參數型別的 contravariance。

1.12.3. 生命週期變異性的作用

讓我們看一個例子，了解生命週期變異性有什麼作用：

struct MutStr<'a, 'b> {  
    s: &'a mut &'b str,  
}  

fn main() {  
    let mut s = "hello";  
    *MutStr { s: &mut s }.s = "world";  
    println!("{}", s);  
}

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這段程式碼令人困惑的部分在於 MutStr 結構體，讓我們來拆解它：

  • 該結構體只有一個欄位，但有兩個生命週期
  • &'a mut 表示可變參考，且該可變參考的生命週期為 'a
  • &'b str 表示指向字串切片的參考，且該字串切片的生命週期為 'b
  • 換句話說，MutStr 允許您儲存一個可變參考，該參考指向指向字串切片的參考。您可以修改 s 本身，但無法修改 &'b str 所指向的字串內容

接下來，讓我們看看 main 中的邏輯：

  • let mut s = "hello"; 宣告變數 s，其型別為 &str，值為 "hello"

  • *MutStr { s: &mut s }.s = "world"; 實際上是將多個步驟合併為一行。讓我們將它們分開：

    • MutStr { s: &mut s } 將指向 s 的可變參考傳入 MutStr 結構體。此時，MutStr 內部 s 欄位的值為 "hello"
    • 在 *MutStr { s: &mut s }.s = "world"; 中，.s 表示存取 s 欄位（此時欄位的值為 &mut s）。* 解參考 s，也就是取得指向字串切片 s 的參考本身。= "world" 改變所指向的值——s 原本指向 "hello"，現在被改為 "world"，也就是 s = "world"

如果只有一個生命週期——這段程式碼還能這樣寫嗎？

struct MutStr<'a> {  
    s: &'a mut str,  
}  

fn main() {  
    let mut s = "hello";  
    *MutStr { s: &mut s }.s = "world";  
    println!("{}", s);  
}

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輸出：

error[E0308]: mismatched types
 --> src/main.rs:7:31
  |
7 |     *MutStr { s: &mut s }.s = "world";  
  |     -----------------------   ^^^^^^^ expected `str`, found `&str`
  |     |
  |     expected due to the type of this binding

error[E0277]: the size for values of type `str` cannot be known at compilation time
 --> src/main.rs:7:5
  |
7 |     *MutStr { s: &mut s }.s = "world";  
  |     ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ doesn't have a size known at compile-time
  |
  = help: the trait `Sized` is not implemented for `str`
  = note: the left-hand-side of an assignment must have a statically known size

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在這一行程式碼上，rustc 在指派處報告失敗（expected str, found &str，以及 str 是 unsized）。更深層的型別問題是 &mut s 的型別為 &mut &str，而欄位預期的是 &mut str。

更具體地說：

  • 變數 s 的型別為 &str（指向字串切片的參考）。
  • 當您寫下 &mut s 時，其實際型別為 &mut &str，也就是指向變數 s 的可變參考。然而，MutStr 的定義要求欄位 s 的型別為 &mut str。
  • 如果將建構分離為 MutStr { s: &mut s }，rustc 會報告您無法將 & 參考後面的資料作為可變借用——這是同一個根本不匹配，只是以不同的方式呈現。

這些是不同的參照物型別，而不是生命週期子型別的問題。（另外，請注意 &mut T 確實 支援 unsizing coercions，例如 &mut [T; N] → &mut [T]；該機制仍然無法將 &mut &str 轉換為 &mut str。）

變異性確實重要的地方在於雙生命週期版本：&'a mut &'b str 對 'b 是 invariant 的，這可以防止透過可變參考指派時，不安全地縮短內部借用。

您也可以這樣思考：

  • 字串字面值（"hello" 和 "world" 都是字串字面值）的型別為 &str，並且有隱含的 'static 生命週期註記，這意味著 &str 實際上是 &'static str。在原始結構體中，這對應於 'b
  • 結構體的 'a 對應於可變參考的生命週期，也就是 *MutStr { s: &mut s }.s = "world" 這一行中 &mut 可變參考的生命週期
  • 變更後，只有單一生命週期參數的結構體預期的是 &mut str，但 &mut s 的型別仍然是 &mut &str，因此型別不匹配