能否通过生命周期在编译期追踪值归属者并限制跨归属传递？

我想实现一种机制，让某个值（比如示例中的Foo）只能被创建它的「归属者」（比如Owner）接收，当把它传递给其他归属者时触发编译错误。我研究了不变生命周期和generativity crate，但能力还不足以实现。以下代码最能说明我的需求：

use core::marker::PhantomData;

// 生命周期`'a`仅对创建`Foo`的`Owner`有效
#[derive(Default, Copy, Clone)]
struct Foo<'a> {
    phantom: PhantomData<&'a Owner>,
}

#[derive(Default)]
struct Owner {}

impl Owner {
    fn get<'a, 'b: 'a>(&'a self) -> Foo<'b> {
        Foo::<'b>::default();
    }
    
    // 要求`self`的唯一生命周期同时适用于`Foo`
    fn set<'a>(&'a mut self, _foo: Foo<'a>) {
        // 任意代码
    }
}

fn main() {
    let mut owner = Owner::default();
    let mut owner2 = Owner::default();
    
    let anon_foo = Foo::default();
    let foo2 = owner2.get();
    
    owner.set(foo2); // 不应编译
    owner.set(anon_foo); // 也不应编译
    
    owner2.set(foo2); // 可以编译！
}

这是一个理论性问题，我并非要解决特定问题，只是想了解Rust中是否存在这类零开销抽象结构。

编辑补充：不要求在复杂场景下工作，只需做到安全失败（若编译器无法证明Owner是实际归属者，则绝不允许调用set）。此外，Owner结构体可通过宏创建，无需支持运行时构造。

可行的零开销实现方案 #

Rust的类型系统和生命周期系统完全可以实现这种需求，以下是两种符合要求的方案：

方案1：用generativity crate实现实例级归属追踪 #

generativity crate可以为每个Owner实例生成唯一、无法伪造的生命周期，让Foo绑定到该生命周期，从而确保只有创建它的Owner能接收它。该方案是实例级的，所有Owner是同一类型的不同实例，且完全零开销（PhantomData和Guard都是零大小类型）。

use generativity::make_guard;
use core::marker::PhantomData;

// Foo绑定到唯一的生成性生命周期'_id
#[derive(Default, Copy, Clone)]
struct Foo<'id> {
    _phantom: PhantomData<&'id ()>,
}

struct Owner<'id> {
    _guard: generativity::Guard<'id>,
}

impl<'id> Owner<'id> {
    // 创建Owner时生成唯一生命周期
    fn new() -> Self {
        make_guard!(guard);
        Owner { _guard: guard }
    }

    // 返回绑定当前Owner生命周期的Foo
    fn get(&self) -> Foo<'id> {
        Foo::default()
    }

    // 仅接受与当前Owner同生命周期的Foo
    fn set(&mut self, _foo: Foo<'id>) {
        // 业务逻辑
    }
}

fn main() {
    let mut owner = Owner::new();
    let mut owner2 = Owner::new();
    
    // 无法直接创建匿名Foo，因为没有对应的唯一生命周期
    // let anon_foo = Foo::default(); // 编译错误
    
    let foo2 = owner2.get();
    
    owner.set(foo2); // 编译错误：生命周期不匹配
    // owner.set(anon_foo); // 编译错误：无法创建
    
    owner2.set(foo2); // 编译通过！
}

方案2：用宏生成类型级归属标记 #

如果不想依赖外部crate，可以用宏为每个Owner生成唯一的标记类型，让Foo与该标记绑定。该方案是类型级的，不同的Owner是不同类型，但同样零开销，且符合你允许宏创建Owner的要求。

use core::marker::PhantomData;

// 宏生成带唯一标记的Owner和对应Foo
macro_rules! make_owner {
    ($owner_name:ident, $foo_name:ident) => {
        #[derive(Default)]
        pub struct $owner_name;
        
        #[derive(Default, Copy, Clone)]
        pub struct $foo_name {
            _phantom: PhantomData<&'static $owner_name>,
        }
        
        impl $owner_name {
            pub fn get(&self) -> $foo_name {
                $foo_name::default()
            }
            
            pub fn set(&mut self, _foo: $foo_name) {
                // 业务逻辑
            }
        }
    };
}

// 生成两个独立的Owner-Foo对
make_owner!(Owner1, Foo1);
make_owner!(Owner2, Foo2);

fn main() {
    let mut owner = Owner1::default();
    let mut owner2 = Owner2::default();
    
    let foo2 = owner2.get();
    
    owner.set(foo2); // 编译错误：类型不匹配（Foo2不能传给Owner1的set）
    // let anon_foo = Foo1::default(); // 可创建，但只能给Owner1使用
    
    owner2.set(foo2); // 编译通过！
}

总结 #

两种方案都满足你的需求：

• 零开销：编译后无额外运行时成本
• 安全失败：编译器严格验证归属关系，不符合条件的调用直接编译报错
• 适配宏创建Owner的要求

其中方案1是实例级追踪，方案2是类型级追踪，可根据实际偏好选择。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kryštof Vosyka