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型变

问题​

Rust 中的协变、逆变和不变是什么？它们如何影响泛型和生命周期？

答案​

子类型关系​

在 Rust 中，子类型关系只存在于生命周期之间：'long: 'short（'long 是 'short 的子类型），意味着 'long 至少活得和 'short 一样久。

fn example<'long: 'short, 'short>(
    long_ref: &'long str,
    short_ref: &'short str,
) {
    // 'long 比 'short 活得久，所以 &'long str 可以当 &'short str 用
    let _: &'short str = long_ref;  // ✅ 协变
}

三种型变​

型变含义直觉
协变（Covariant）F<'long> 是 F<'short> 的子类型"方向一致"
逆变（Contravariant）F<'short> 是 F<'long> 的子类型"方向相反"
不变（Invariant）无子类型关系"不能替换"

Rust 中的型变规则​

类型'a 上的型变T 上的型变
&'a T协变协变
&'a mut T协变不变
*const T—协变
*mut T—不变
Box<T>—协变
Vec<T>—协变
Cell<T>—不变
fn(T) -> U—T 逆变，U 协变
UnsafeCell<T>—不变

为什么 &mut T 对 T 不变？​

fn evil<'long: 'short, 'short>(
    long_ref: &'long str,
    slot: &mut &'short str,  // 如果 &mut T 对 T 协变...
) {
    // 假设允许：把 slot 的类型 "放宽" 为 &mut &'long str
    // 然后写入一个更短生命周期的引用
    *slot = long_ref;  // 这看起来安全
}

// 但如果反过来：
fn evil2(slot: &mut &'static str) {
    let local = String::from("temp");
    // 如果 &mut T 协变，slot 可以当 &mut &'a str 用
    // 就能把临时引用写进去 → 悬垂引用！
}

&mut T 对 T 必须不变，否则可以通过可变引用写入更短生命周期的值，导致悬垂引用。

PhantomData 控制型变​

use std::marker::PhantomData;

// 协变（默认）
struct Covariant<T> {
    _marker: PhantomData<T>,       // 协变于 T
}

// 逆变
struct Contravariant<T> {
    _marker: PhantomData<fn(T)>,   // 逆变于 T
}

// 不变
struct Invariant<T> {
    _marker: PhantomData<fn(T) -> T>,  // 不变于 T
}
// 或者
struct Invariant2<T> {
    _marker: PhantomData<*mut T>,      // 不变于 T
}

常见面试问题​

Q1: 为什么函数参数是逆变的？​

答案：

直觉：如果一个函数接受 &'short str，那么一个接受 &'long str 的函数可以替代它吗？不可以——因为更严格（要求更长生命周期）。但一个接受更短生命周期的函数可以接受更长生命周期的输入。

// fn(&'static str) 可以用在需要 fn(&'a str) 的地方
// 因为 'static 更长，函数能处理更长的也能处理更短的

简单说：参数位置"消费"类型，所以方向相反（逆变）；返回位置"产出"类型，方向一致（协变）。

Q2: Cell<T> 为什么对 T 不变？​

答案：

Cell<T> 允许通过共享引用修改内部值（内部可变性）。如果 Cell<T> 对 T 协变，就可能通过 &Cell<&'long str> 写入一个 &'short str，导致生命周期不安全。本质原因和 &mut T 一样——可写就必须不变。

Q3: 普通开发中需要关心型变吗？​

答案：

大多数情况下不需要。编译器会自动处理。只有在以下场景需要理解型变：

  1. 编写包含裸指针的 unsafe 代码（需要用 PhantomData 标注正确的型变）
  2. 遇到复杂的生命周期编译错误时帮助理解原因
  3. 设计 zero-cost 抽象或底层库

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