Rust vs C#: два способа решить проблему ссылок в структурах

Возврат ссылки на структуру из метода, объявленную в этом самом методе, является одним из самых классических примеров "висячих ссылок". Но что если возвращается не ссылка, а структура, содержащая ссылку? И не явно, а через вызов другого метода? Как понять, где у нас явный "провис ссылки", а где нормальный код? Звучит как какая то "дичь", но подобный кейс - вполне реальная боль для авторов языков программирования.

Давайте посмотрим на примере Rust и C# как авторы решают эту неоднозначную проблему.

Постановка задачи

Как понять в compile time, что ссылка не выходит за scope метода, в случае вызова метода, в который передается ссылка на объект, и возвращается структура, содержащая ссылку как поле, и данная структура выходит за контекст обозначенного метода?

Звучит мудрено, лучше посмотреть по коду:

pub struct MyStruct<'a> {
    reference: &'a i32,
}

pub fn test<'a>() -> MyStruct<'a> {
    let integer = 42;
    return create(&integer);
}

ref struct MyStruct
{
    public MyStruct(ref int reference)
    {
        Reference = ref reference;
    }
    public ref int Reference;
}

MyStruct Test()
{
    var integer = 42;
    return Create(ref integer);
}

Проблема данного кода заключается в методе Create. Он может как приводить к "висячей ссылке":

fn create(reference: &i32) -> MyStruct {
    return MyStruct {
        reference
    };
}

MyStruct Create(ref int reference)
{
    return new MyStruct(ref reference);
}

Так и возвращать вполне адекватное значение

fn create(reference: &i32) -> MyStruct {
    println!("{}", reference);
    return MyStruct {
        reference: Box::leak(Box::new(42))
    };
}

MyStruct Create(ref int reference)
{
    Console.WriteLine(reference);
    var arr = new[] {42};
    return new MyStruct(ref arr[0]);
}

(лайвтаймы для примеров из Rust опущены, чтобы не спойлерить)

И как же компилятору "понять", когда метод Create "хороший", а когда "плохой"? В примерах выше компилятор выдает ошибки при вызове метода Create, что есть false negative, ведь данный метод может быть как "плохим", так и "хорошим".

C# Way

Что делать разработчикам языка, если у них есть мощный компилятор и сообщество, открытое к приключениям? Конечно, вводить новые ключевые слова!

Представляю, scoped!

Копипастить документацию я не буду (детали тут https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/proposals/csharp-11.0/low-level-struct-improvements), лучше скажу в двух словах

Когда вы помечаете ref параметр как scoped, метод будет "знать", что ref будет ссылаться на значение, которое "живет" только в вызывающем методе

Другими словами, когда метод принимает ref, компилятору не сильно важно, откуда она пришла, runtime разберется (вот тут много деталей https://tooslowexception.com/managed-pointers-in-net/).

А вот если указать scoped, то на этапе компиляции будут применятся ограничения, не позволяющие "провиснуть" ссылкам. Например следующий код

MyStruct Create(scoped ref int reference)
{
    return new MyStruct(ref reference);
}

Вернет ошибку [CS9075] Cannot return a parameter by reference 'reference' because it is scoped to the current method.

И это то что нам нужно - указав для метода Create параметр reference как scoped мы переносим ошибку с вызова метода в его реализацию. При этом "хороший" метод Create компилируется без ошибок:

MyStruct Create(scoped ref int reference)
{
    Console.WriteLine(reference);
    var arr = new[] {42};
    return new MyStruct(ref arr[0]);
}

Rust Way

Риторический вопрос: если в документации по C# упоминаются lifetimes, то откуда взята эта фича? Я думаю, Вы поняли, как эта проблема решается в Rust: просто добавь lifetime!

fn create<'a, 'b>(reference: &'b i32) -> MyStruct<'a> {
    return MyStruct {
        reference
    };
}

Обратите внимание, мы объявили два lifetimes: для входа и для выхода. И они не пересекаются! Таким образом функция create "знает", что ссылка reference живет в другом контексте, нежели возвращаемое значение.

При этом "хорошая" версия create отлично компилируется, так как там именно что lifetimes различаются:

fn create<'a, 'b>(reference: &'b i32) -> MyStruct<'a> {
    println!("{}", reference);
    return MyStruct {
        reference: Box::leak(Box::new(42))
    };
}

Заключение

Казалось бы, C# и Rust в одном предложении не должны встречаться, но это не так. Модель работы со структурами и ссылками достаточно похожи. Остальные примеры Вы можете посмотреть в видео-подкасте по ссылке ниже: