【Rust自学】15.1. 使用Box＜T＞智能指针来指向堆内存上的数据

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15.1.1. Box<T>

box<T>可以被简单地理解为装箱，它是最简单的智能指针，允许你在堆内存上存储数据（而不是栈内存）。

具体的实现方式是Box<T>在栈内存上有一小块内存，存放指针，指向它存在堆内存上的数据。也就是说，实际的数据是存储在堆内存上的。除了它把数据存在堆内存上之外，就没有其它开销了，代价就是没有其它额外的功能。

这样看Box<T>跟普通指针好像没什么区别，但其真正的不同是Box<T>实现了Deref和Drop这两个trait。

15.1.2. Box<T>的常见场景

在编译时，某类型的大小无法确定。但使用该类型时，上下文却需要知道它确切的大小，这个时候就可以选用Box<T>。

当你有大量数据，想移交所有权，但需要确保在操作时不会被复制。

使用某个值时，你只关心它是否实现了特定的trait，而不关心的具体类型。

15.1.3. 使用Box<T>在堆内存上存储数据

看个例子：

fn main() {let b = Box::new(5);println!("b = {b}");
}

我们将变量b定义为具有指向值5的Box的值，该值分配在堆上。该程序将打印b = 5 。

和其他任何拥有所有权的值一样，b这个变量离开作用域的时候（也就是第4行花括号结束的时候），会和其他任何拥有所有权的变量一样释放内存（堆上的和栈上的都会被释放）。

15.1.4. 使用Box赋能递归类型

在编译时，Rust需要知道一个类型所占的空间大小。但是有一种被称为递归的类型，它的大小无法在编译时确定。

以这个图为例，Cons类型里面有两个字段，一个字段是i32，另一个字段是这个字段Cons本身的类型。

在编译时，Rust需要知道它的大小,i32大小是固定的，但是Cons的第二个字段Cons本身的类型大小无法确定。

针对这种情况，可以使用Box。针对递归类型，Box有办法确定其大小。

这种东西在函数式语言中是存在的，叫做Cons List。

15.1.5. 关于Cons List

Cons List是来自Lisp语言的一种数据结构，这种数据结构里每个成员由两个元素组成，一个是当前项的值，比如上图中的i32；另一个是下一个元素。

这种数据结构就这样一直递归下去直到最后一个元素（最后一个成员），它里面只包含一个Nil值，没有下一个元素了，而Nil值就相当于是一个终止的标记。

Nil和None的概念不一样，None表示的是无效或缺失的值，而Nil是一个终止的标记。

Cons List由上图就可以看出是一种链表。

15.1.6. Cons List在Rust中的替代者

Cons List并不是Rust中的常用集合。通常情况下，Vec<T>是更好的选择。

下面用Vec<T>创建一个同上图结构相同的Cons List：

enum List {Cons(i32, List),Nil,
}

List这个枚举类型有两个变体：一个Cons一个Nil。Cons变体附带了两个数据，一个是i32类型，一个是List类型。

这么写逻辑上没问题，但运行时会报错：

$ cargo runCompiling cons-list v0.1.0 (file:///projects/cons-list)
error[E0072]: recursive type `List` has infinite size--> src/main.rs:1:1|
1 | enum List {| ^^^^^^^^^
2 |     Cons(i32, List),|               ---- recursive without indirection|
help: insert some indirection (e.g., a `Box`, `Rc`, or `&`) to break the cycle|
2 |     Cons(i32, Box<List>),|               ++++    +error[E0391]: cycle detected when computing when `List` needs drop--> src/main.rs:1:1|
1 | enum List {| ^^^^^^^^^|= note: ...which immediately requires computing when `List` needs drop again= note: cycle used when computing whether `List` needs drop= note: see https://rustc-dev-guide.rust-lang.org/overview.html#queries and https://rustc-dev-guide.rust-lang.org/query.html for more informationSome errors have detailed explanations: E0072, E0391.
For more information about an error, try `rustc --explain E0072`.
error: could not compile `cons-list` (bin "cons-list") due to 2 previous errors

因为Rust需要知道类型所占的空间大小，但递归类型的大小Rust无法计算。

15.1.7. Rust计算类型所占空间大小的方法

先看看Rust是如何计算出类型所占的空间大小的。举个例子：

enum Message {Quit,Move { x: i32, y: i32 },Write(String),ChangeColor(i32, i32, i32),
}

为了确定为Message值分配多少空间，Rust 会遍历每个变体以查看哪个变体需要最多空间。

Rust 认为Message::Quit不需要任何空间， Message::Move需要足够的空间来存储两个i32值，依此类推。因为每个时刻只有一种变体存在，因此Message值所需的最大空间就是存储其最大变体所需的空间，也就是ChangeColor这个变体。

15.1.8. 使用Box<T>来获得确定大小的递归类型

刚才讲了，Rust需要知道类型所占的空间大小，但递归类型的大小Rust无法计算。那么只要使用确定大小的类型就可以了，而Box<T>正好满足需求：它不存储数据，而是存储指向数据的指针，指针的大小是固定的usize。

Rust知道Box<T>的大小是因为Box<T>本质上是一个指针，指针不直接存储值，所以不论指针指向的数据如何变指针本身的大小都不会变。也就是说，指针的大小不会基于它指向的数据的大小变化而变化。

针对这点就可以对原来的代码进行修改了。具体来说，把大小不确定的部分，也就是嵌套的List类型改成Box<List>类型：

enum List {Cons(i32, Box<List>),Nil,
}

这仍旧是递归，但是不会直接存储List类型，而是以间接的方式指向堆内存中List的位置，属于是曲线救国。

15.1.9. Box类型的特性总结

• 只提供了“间接”存储和堆内存分配的功能
• 没有额外功能
• 没有性能开销
• 适用于需要“间接”存储的场景，例如Cons List
• 实现了Deref和Drop trait