3.5.6 PhantomData：外部资源的生命周期

译文 · 基于 Comprehensive Rust

原文链接: https://google.github.io/comprehensive-rust/idiomatic/leveraging-the-type-system/borrow-checker-invariants/phantomdata-03-lifetimes.html

3.5.6 PhantomData：外部资源的生命周期

外部资源的不变量常常与我们能用生命周期规则做的事相匹配。

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// Copyright 2025 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
// use std::marker::PhantomData;

/// 直接到 C 中数据库库的 FFI。
/// 我们得到的就是这样的 API，无法对其施加影响。
mod ffi {
    pub type DatabaseHandle = u8; // 同时最多打开 255 个数据库

    fn database_open(name: *const std::os::raw::c_char) -> DatabaseHandle {
        unimplemented!()
    }
    // ... 等等。
}

struct DatabaseConnection(ffi::DatabaseHandle);

struct Transaction<'a>(&'a mut DatabaseConnection);

impl DatabaseConnection {
    fn new_transaction(&mut self) -> Transaction<'_> {
        Transaction(self)
    }
}

fn main() {}

• 回想 别名 XOR 可变 示例中的事务 API。

  我们在事务类型中持有对数据库连接的可变引用，以便在事务活动时锁定数据库。

  本例中，我们想在外部的、非 Rust API 之上实现 Transaction API。

  我们从定义持有 &mut DatabaseConnection 的 Transaction 类型开始。

• 提问：此实现的局限是什么？假定 u8 在实现上准确，且对我们使用外部 API 有足够信息。

  期望：

  • 在 64 位平台上，间接层比我们需要的多占 7 字节，并在运行时付出指针解引用的代价。

• 问题：我们希望事务借用创建它的数据库连接，但不希望 Transaction 对象存储真正的引用。

• 提问：当我们去掉 Transaction 中的可变引用但保留生命周期参数时会发生什么？

  期望：未使用的生命周期参数！

• 与先前幻灯片中的类型标签类似，我们可以引入 PhantomData 来为我们捕获这个未使用的生命周期参数。

  区别在于我们需要将生命周期与另一类型一起使用，但那另一类型不太重要。

• 演示：将 Transaction 改为如下：

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  // Copyright 2025 Google LLC // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 # struct Transaction<'a> { connection: DatabaseConnection, _phantom: PhantomData<&'a mut DatabaseConnection>, }

  更新 DatabaseConnection::new_transaction() 方法：

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  // Copyright 2025 Google LLC // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 # impl DatabaseConnection { fn new_transaction<'a>(&'a mut self) -> Transaction<'a> { Transaction { connection: DatabaseConnection(self.0), _phantom: PhantomData } } }

  这给出一个拥有的数据库连接，它与创建它的 DatabaseConnection 绑定，但运行时内存占用小于存储引用的版本。

  因为 PhantomData 是零大小类型（如 () 或 struct MyZeroSizedType;），Transaction 的大小现在与 u8 相同。

  持有引用的实现则与 usize 一样大。

深入探索

• 这种在类型与值之间编码关系的方式，与 unsafe 结合时非常强大，因为可操纵生命周期的方式几乎变得任意。这也很危险，但与外部、机械验证的证明等工具结合时，我们可以安全地编码循环/自引用类型，同时在相关数据类型中编码生命周期与安全期望。

• GhostCell (2021) 论文及其 相关实现 展示了这类工作。尽管借用检查器有限制，仍有办法使用逃生舱，然后证明你使用这些逃生舱的方式是一致且安全的。