使用lazy_static时Rust出现`tree`可变多次借用错误的问题

测试代码（需执行cargo add lazy_static添加依赖） #

#[macro_use]
extern crate lazy_static;

extern crate alloc;
use alloc::collections::BTreeMap;
use alloc::vec::Vec;

fn get_vec<'a>(tree: &'a mut BTreeMap<&'a str, Vec<&'a u8>>, key: &'a str) -> &'a mut Vec<&'a u8> {
    if !tree.contains_key(key) {
        let v = Vec::new();
        tree.insert(key, v);
    }
    tree.get_mut(key).unwrap()
}

lazy_static! {
    static ref VALUES: [u8; 2] = [1, 2];
    static ref TEST_HASH: BTreeMap<&'static str, Vec<&'static u8>> = {
        let mut tree: BTreeMap<&str, Vec<&u8>> = BTreeMap::new();
        let key = "test_key";

        for value in VALUES.iter() {
            /*
            { // #1 Block: This work fine
                if !tree.contains_key(key) {
                    let v = Vec::new();
                    tree.insert(key, v);
                }
                let v = tree.get_mut(key).unwrap();
                v.push(&value);
            }
            */
            { // #2 Block: This is not work
                let v = get_vec(&mut tree, key);
                v.push(&value);
            }
        }
        tree
    };
}

fn main() {
    for (key, v) in &*TEST_HASH {
        println!("{} {:?}", key, v);
    }
}

编译错误输出 #

error[E0499]: cannot borrow `tree` as mutable more than once at a time
  --> src/main.rs:34:33
   |
34 |                 let v = get_vec(&mut tree, key);
   |                                 ^^^^^^^^^ `tree` was mutably borrowed here in the previous iteration of the loop
...
38 |         tree
   |         ---- returning this value requires that `tree` is borrowed for `'static`

error[E0505]: cannot move out of `tree` because it is borrowed
  --> src/main.rs:38:9
   |
19 |         let mut tree: BTreeMap<&str, Vec<&u8>> = BTreeMap::new();
   |             -------- binding `tree` declared here
...
34 |                 let v = get_vec(&mut tree, key);
   |                                 --------- borrow of `tree` occurs here
...
38 |         tree
   |         ^^^^
   |         |
   |         move out of `tree` occurs here
   |         returning this value requires that `tree` is borrowed for `'static`

Some errors have detailed explanations: E0499, E0505.
For more information about an error, try `rustc --explain E0499`.

问题 #

• 该错误的问题根源是什么？
• #Block1与#Block2逻辑类似，为何前者可正常运行，后者报错？

1. 错误根源 #

问题出在get_vec函数的生命周期注解过度绑定：
函数签名fn get_vec<'a>(tree: &'a mut BTreeMap<&'a str, Vec<&'a u8>>, key: &'a str) -> &'a mut Vec<&'a u8>把所有输入输出的生命周期都强制绑定为同一个'a。

结合静态变量场景来看：

• TEST_HASH是'static生命周期的静态变量，意味着初始化时创建的tree最终要升级为'static生命周期。
• 循环中调用get_vec(&mut tree, key)时，编译器会推断：返回的Vec引用生命周期是'a，而'a又和tree的可变引用生命周期绑定，这个借用必须持续到tree被返回作为静态变量的时刻。
• 这导致每次循环的可变借用无法在当前块结束后释放，进而造成循环中多次可变借用冲突，同时返回tree时它还处于被借用状态，触发E0499和E0505错误。

2. Block1与Block2的差异 #

Block1能正常运行的原因 #

Block1中所有操作都在同一个作用域内直接操作tree，编译器可以进行局部生命周期分析：

• 先调用tree.contains_key(key)产生的不可变借用，在调用tree.get_mut(key)之前就已释放。
• tree.get_mut(key)返回的可变引用，生命周期仅限于当前循环块——块结束时v被销毁，可变借用随之释放，不会影响下一次循环，也不会延长到tree被返回的时刻。

Block2报错的原因 #

Block2通过函数封装后，函数的生命周期注解限制了编译器的分析粒度：

• 函数签名强制将tree的可变引用、key、返回的Vec引用三者生命周期绑定，编译器无法得知返回的Vec引用会在循环块内被销毁，只能保守地认为借用会持续到tree的整个生命周期（直到作为静态变量返回）。
• 这种保守推断导致循环中每次调用get_vec都会产生一个持续到tree返回时刻的可变借用，造成多次借用冲突，同时返回tree时它还处于被借用状态，最终触发错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jihwan Park