15.1 使用Box T 智能指针来指向堆内存上的数据

15.1.1 `Box<T>`

Box<T> 可以被简单地理解为一个箱子。它是最简单的智能指针，允许你把数据存储在堆上，而不是栈上。

具体实现是：Box<T> 在栈上有一小块内存，存放指向堆上数据的指针。也就是说，实际数据存储在堆上。除了把数据放在堆上之外，它没有其他开销，代价是也没有额外功能。

乍看之下，Box<T> 和普通指针好像没什么区别，但其真正不同之处在于：Box<T> 实现了 Deref 和 Drop 这两个 trait。

15.1.2 `Box<T>` 的常见场景

当某个类型的大小无法在编译时确定，但使用它的上下文又需要知道其确切大小时，Box<T> 是一个好选择。

当你有大量数据，想移交所有权，但又需要确保在操作过程中不会被复制时。

当你使用某个值时，只关心它是否实现了特定的 trait，而不关心其具体类型时。

15.1.3 使用 `Box<T>` 在堆上存储数据

看个例子：

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

我们将变量 b 定义为一个包含 Box 的值，该 Box 指向分配在堆上的值 5。这个程序会打印 b = 5。

和其他任何拥有所有权的值一样，当 b 离开作用域时，它会像其他拥有所有权的值一样释放内存——作用域结束时，堆上和栈上的内存都会被释放。

15.1.4 使用 `Box<T>` 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。

未使用 Box 间接层时无限递归嵌套的 Cons 列表示意图以这个图为例，Cons 类型有两个字段：一个字段是 i32，另一个字段是 Cons 类型本身。

在编译时，Rust 需要知道类型的大小。i32 的大小是固定的，但第二个 Cons 字段——也就是 Cons 类型本身——的大小无法确定。

针对这种情况，可以使用 Box<T>。对于递归类型，Box<T> 使其大小可以被确定。

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。在这种结构中，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。最后一个成员只包含一个 Nil 值，没有下一个元素，而 Nil 值充当终止标记。

Nil 和 None 的概念不一样。None 表示无效或缺失的值，而 Nil 是一个终止标记。

从上图可以看出，Cons List 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。

下面这个 List 定义与上图中的 Cons List 结构相匹配：

#![allow(unused)]
fn main() {
enum List {
    Cons(i32, List),
    Nil,
}
}

List 枚举有两个变体：Cons 和 Nil。Cons 变体附带了两份数据：一个是 i32 类型，一个是 List 类型。

这么写逻辑上没问题，但编译时会报错：

$ cargo run
   Compiling cons-list v0.1.0 (/tmp/ch15-refresh/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>),
  |               ++++    +

For more information about this error, try `rustc --explain E0072`.
error: could not compile `cons-list` (bin "cons-list") due to 1 previous error

这是因为 Rust 需要知道类型的大小，但无法计算出递归类型的大小。

15.1.7 Rust 计算类型大小的方法

先看看 Rust 如何确定类型所占的空间大小。举个例子：

#![allow(unused)]
fn main() {
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，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 需要足够存放两个 i32 值的空间，依此类推。因为同一时刻只有一种变体存在，所以 Message 值所需的空间就是其最大变体所需的空间——在常见的 64 位平台上通常是 Write(String)，因为 String 比三个 i32 更大。

15.1.8 使用 `Box` 来获得确定大小的递归类型

正如前面所说，Rust 需要知道类型的大小，但无法计算递归类型的大小。所以我们可以改用大小已知的类型，而 Box<T> 正好满足需求：它不存储数据本身，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，因为 Box<T> 本质上是一个指针。指针不直接存储值，所以不论它指向的数据如何变化，指针本身的大小都不会变。也就是说，指针的大小不会随它所指向数据的大小变化而变化。

基于这一点，就可以修改原来的代码。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>：

#![allow(unused)]
fn main() {
enum List {
    Cons(i32, Box<List>),
    Nil,
}
}

这仍旧是递归，但不再直接存储 List，而是间接指向堆上的 List 值，属于曲线救国。

15.1.9 `Box` 类型总结

只提供间接存储和堆分配。
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。

Keyboard shortcuts

Rust指南