# 라이프타임 ## 학습 목표 * Rust의 라이프타임 개념과 그 필요성을 이해한다. * 라이프타임 생략 규칙을 학습하고 적용할 수 있다. * 명시적 라이프타임 annotation을 사용하는 방법을 익힌다. * 구조체, 메서드, 트레이트에서 라이프타임을 사용하는 방법을 학습한다. * 'static 라이프타임의 의미와 사용법을 파악한다. * 라이프타임 서브타이핑과 라이프타임 바운드의 개념을 이해한다. * 실제 코드에서 라이프타임을 효과적으로 사용하는 방법을 습득한다. ## Rust의 라이프타임 개념 라이프타임은 Rust의 소유권 시스템의 핵심 개념 중 하나로, 참조자가 유효한 범위를 나타낸다. 모든 참조자는 라이프타임을 갖고 있으며, 이는 메모리 안전성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. ### 라이프타임의 필요성 1. 댕글링 참조 방지: 이미 해제된 메모리를 가리키는 참조자 사용을 막는다. 2. 메모리 안전성 보장: 참조자의 유효성을 컴파일 시간에 검증한다. 3. 소유권 규칙 강화: 빌림 검사기(borrow checker)가 참조의 유효성을 확인하는 데 사용된다. ## 라이프타임 생략 규칙 Rust 컴파일러는 참조타입을 반환하는 함수에 대해서 다음 세 가지 규칙에 따라 라이프타임을 자동으로 추론한다: 1. 각 참조자 매개변수는 고유한 라이프타임 매개변수를 받는다. 2. 입력 라이프타임 매개변수 중 참조 타입이 정확히 하나인 경우, 그 라이프타임이 모든 출력 라이프타임 매개변수에 적용된다. 잘 생각해보면 리턴값이 참조 타입인데, 입력값 중 참조타입이 하나면 바로 그것을 리턴할 것이다. 그렇지 않으면, Rust의 소유권 시스템에 의해 함수의 로컬 변수는 drop될 것이기 때문에 댕글링 포인터 문제가 발생할 것이다. 3. 메서드의 경우, 첫 번째 매개변수가 &self 또는 &mut self이면 그 라이프타임이 모든 출력 라이프타임 매개변수에 적용된다. 대개의 경우에 그렇기 떄문이다. 하지만, 컴파일러가 만능은 아니기에 함수의 결과값에 대해서 이 이외의 케이스에는 라이프타임을 추론하기 힘드므로, 우리가 명시해줘야한다. 그렇지 않으면, 라이프 타임 규칙을 컴파일러가 쉽게 적용할 수 없다. 예시: ```rust fn first_word(s: &str) -> &str { // 컴파일러가 자동으로 라이프타임을 추론한다. // 실제로는 이렇게 해석된다: fn first_word<'a>(s: &'a str) -> &'a str let bytes = s.as_bytes(); for (i, &item) in bytes.iter().enumerate() { if item == b' ' { return &s[0..i]; } } &s[..] } ``` ## 명시적 라이프타임 annotation 라이프타임 생략 규칙이 적용되지 않는 경우, 우리가 명시적으로 라이프타임을 지정해야 한다. ```rust fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str { if x.len() > y.len() { x } else { y } } ``` 이 함수는 두 문자열 슬라이스를 받아 더 긴 것을 반환한다. 라이프타임 'a는 x와 y의 라이프타임 중 더 짧은 것과 같다는 것을 나타낸다. ## 구조체에서의 라이프타임 구조체가 참조자를 포함할 때는 라이프타임을 명시해야 한다: ```rust struct ImportantExcerpt<'a> { part: &'a str, } impl<'a> ImportantExcerpt<'a> { fn level(&self) -> i32 { 3 } fn announce_and_return_part(&self, announcement: &str) -> &str { println!("Attention please: {}", announcement); self.part } } ``` ## 'static 라이프타임 'static 라이프타임은 프로그램의 전체 실행 기간 동안 유효한 참조를 나타낸다. ```rust let s: &'static str = "I have a static lifetime."; ``` 모든 문자열 리터럴은 'static 라이프타임을 가진다. ## 라이프타임 서브타이핑 라이프타임 서브타이핑은 한 라이프타임이 다른 라이프타임보다 적어도 같거나 더 길다는 것을 나타낸다. ```rust fn foo<'a, 'b: 'a>(x: &'a i32, y: &'b i32) -> &'a i32 { if *x > *y { x } else { y } } ``` 여기서 'b: 'a는 'b가 적어도 'a만큼 살아있음을 나타낸다. ## 라이프타임 바운드 트레이트 바운드와 유사하게, 제네릭 타입에 라이프타임 바운드를 적용할 수 있다. ```rust struct Wrapper<'a, T: 'a> { value: &'a T, } impl<'a, T: Display + 'a> Wrapper<'a, T> { fn print(&self) { println!("Wrapper contains: {}", self.value); } } fn main() { let x = 5; let w = Wrapper { value: &x }; w.print(); } ``` 여기서 T: 'a는 T가 적어도 'a 라이프타임만큼 살아있어야 한다는 것을 의미한다. 이는 Wrapper가 T에 대한 참조를 안전하게 보유할 수 있음을 보장한다. ```rust use std::fmt::Debug; fn print_multi<'a, 'b, T>(x: &'a str, y: &'b str, z: T) where T: Debug, 'a: 'b, { println!("x: {}, y: {}, z: {:?}", x, y, z); } fn main() { let x = String::from("longer lifetime"); { let y = String::from("shorter"); print_multi(x.as_str(), y.as_str(), 5); } } ``` 이 예시에서 'a: 'b는 'a가 적어도 'b만큼 살아있어야 한다는 것을 의미한다. 이는 x의 라이프타임이 y의 라이프타임보다 길거나 같아야 함을 나타낸다. ## VSCode에서 실습 1. VSCode를 열고 새 Rust 프로젝트를 생성한다: `cargo new rust_lifetimes` 2. `src/main.rs` 파일에 다음 코드를 작성한다: ```rust fn main() { let string1 = String::from("long string is long"); let result; { let string2 = String::from("xyz"); result = longest(string1.as_str(), string2.as_str()); } println!("Longest string is {}", result); } fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str { if x.len() > y.len() { x } else { y } } ``` 3. 터미널에서 `cargo run` 명령어를 실행하여 코드를 컴파일하고 실행한다. ## 테스트 코드 예제 코드가 올바르게 작동하는지 확인하기 위한 테스트 코드는 다음과 같다: ```rust #[cfg(test)] mod tests { use super::*; #[test] fn test_longest() { let string1 = String::from("long"); let string2 = String::from("longer"); assert_eq!(longest(string1.as_str(), string2.as_str()), "longer"); } #[test] fn test_lifetime_in_struct() { struct ImportantExcerpt<'a> { part: &'a str, } let novel = String::from("Call me Ishmael. Some years ago..."); let first_sentence = novel.split('.').next().expect("Could not find a '.'"); let i = ImportantExcerpt { part: first_sentence, }; assert_eq!(i.part, "Call me Ishmael"); } } ``` 이 테스트 코드를 `src/main.rs` 파일의 끝에 추가하고, `cargo test` 명령어를 실행하여 테스트를 수행할 수 있다. ## Reference 1. Rust 공식 문서 - 라이프타임: https://doc.rust-lang.org/book/ch10-03-lifetime-syntax.html 2. Rust by Example - 라이프타임: https://doc.rust-lang.org/rust-by-example/scope/lifetime.html 3. The Rust Programming Language (2nd Edition) by Steve Klabnik and Carol Nichols 4. Programming Rust (2nd Edition) by Jim Blandy, Jason Orendorff, and Leonora F. S. Tindall 5. Rust 공식 문서 - 고급 라이프타임: https://doc.rust-lang.org/nomicon/lifetimes.html 6. Rust RFC - 라이프타임 생략 규칙: https://github.com/rust-lang/rfcs/blob/master/text/0141-lifetime-elision.md 7. Rust 블로그 - 라이프타임의 이해: https://blog.rust-lang.org/2016/04/06/lifetime-elision.html 8. Rust 공식 포럼 - 라이프타임 관련 토론: https://users.rust-lang.org/t/common-lifetime-misconceptions/31708

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