diff --git a/book/contents/advance/smart-pointer/box.md b/book/contents/advance/smart-pointer/box.md index 224e7b3b..090ca75b 100644 --- a/book/contents/advance/smart-pointer/box.md +++ b/book/contents/advance/smart-pointer/box.md @@ -1,16 +1,16 @@ -# `Box`堆对象分配 -关于作者帅不帅，估计争议还挺多的，但是如果说`Box`是不是Rust中最常见的智能指针，那估计没有任何争议。因为`Box`允许你将一个值分配到堆上，然后在栈上保留一个智能指针指向堆上的数据。 +# `Box` 堆对象分配 +关于作者帅不帅，估计争议还挺多的，但是如果说 `Box` 是不是Rust中最常见的智能指针，那估计没有任何争议。因为 `Box` 允许你将一个值分配到堆上，然后在栈上保留一个智能指针指向堆上的数据。 之前我们在[所有权章节](https://course.rs/basic/ownership/ownership.html#栈stack与堆heap)简单讲过堆栈的概念，这里再补充一些。 -## Rust中的堆栈 -高级语言Python/Java等往往会弱化堆栈的概念，但是要用好C/C++/Rust，就必须对堆栈有深入的了解，原因是两者的内存管理方式不同: 前者有GC垃圾回收机制， 因此无需你去关心内存的细节。 +## Rust 中的堆栈 +高级语言 Python/Java 等往往会弱化堆栈的概念，但是要用好 C/C++/Rust，就必须对堆栈有深入的了解，原因是两者的内存管理方式不同：前者有 GC 垃圾回收机制，因此无需你去关心内存的细节。 -栈内存从高位地址向下增长，且栈内存是连续分配的，一般来说**操作系统对栈内存的大小都有限制**，因此C语言中无法创建任意长度的数组。在Rust中, `main`线程的[栈大小是`8MB`](https://course.rs/pitfalls/stack-overflow.html)，普通线程是`2MB`，在函数调用时会在其中创建一个临时栈空间，调用结束后Rust会让这个栈空间里的对象自动进入`Drop`流程，最后栈顶指针自动移动到上一个调用栈顶，无需程序员手动干预，因而栈内存申请和释放是非常高效的。 +栈内存从高位地址向下增长，且栈内存是连续分配的，一般来说**操作系统对栈内存的大小都有限制**，因此 C 语言中无法创建任意长度的数组。在 Rust 中，`main` 线程的[栈大小是 `8MB`](https://course.rs/pitfalls/stack-overflow.html)，普通线程是 `2MB`，在函数调用时会在其中创建一个临时栈空间，调用结束后 Rust 会让这个栈空间里的对象自动进入 `Drop` 流程，最后栈顶指针自动移动到上一个调用栈顶，无需程序员手动干预，因而栈内存申请和释放是非常高效的。 -与栈相反，堆上内存则是从低位地址向上增长，**堆内存通常只受物理内存限制**，而且通常是不连续的, 因此从性能的角度看，栈往往比对堆更高。 +与栈相反，堆上内存则是从低位地址向上增长，**堆内存通常只受物理内存限制**，而且通常是不连续的，因此从性能的角度看，栈往往比对堆更高。 -相比其它语言，Rust堆上对象还有一个特殊之处，它们都拥有一个所有者，因此受所有权规则的限制：当赋值时，发生的是所有权的转移(只需浅拷贝栈上的引用或智能指针即可)， 例如以下代码： +相比其它语言，Rust 堆上对象还有一个特殊之处，它们都拥有一个所有者，因此受所有权规则的限制：当赋值时，发生的是所有权的转移(只需浅拷贝栈上的引用或智能指针即可)，例如以下代码： ```rust fn main() { let b = foo("world"); @@ -23,19 +23,19 @@ fn foo(x: &str) -> String { } ``` -在`foo`函数中，`a`是`String`类型，它其实是一个智能指针结构体，该智能指针存储在函数栈中，指向堆上的字符串数据。当被从`foo`函数转移给`main`中的`b`变量时，栈上的智能指针被复制一份赋予给`b`，而底层数据无需发生改变，这样就完成了所有权从`foo`函数内部到`b`的转移. +在 `foo` 函数中，`a` 是 `String` 类型，它其实是一个智能指针结构体，该智能指针存储在函数栈中，指向堆上的字符串数据。当被从 `foo` 函数转移给 `main` 中的 `b` 变量时，栈上的智能指针被复制一份赋予给 `b`，而底层数据无需发生改变，这样就完成了所有权从 `foo` 函数内部到 `b` 的转移。 #### 堆栈的性能 -很多人可能会觉得栈的性能肯定比堆高，其实未必。 由于我们在后面的性能专题会专门讲解堆栈的性能问题，因此这里就大概给出结论: +很多人可能会觉得栈的性能肯定比堆高，其实未必。 由于我们在后面的性能专题会专门讲解堆栈的性能问题，因此这里就大概给出结论： - 小型数据，在栈上的分配性能和读取性能都要比堆上高 -- 中型数据，栈上分配性能高，但是读取性能和堆上并无区别，因为无法利用寄存器或CPU高速缓存，最终还是要经过一次内存寻址 +- 中型数据，栈上分配性能高，但是读取性能和堆上并无区别，因为无法利用寄存器或 CPU 高速缓存，最终还是要经过一次内存寻址 - 大型数据，只建议在堆上分配和使用 -总之栈的分配速度肯定比堆上快，但是读取速度往往取决于你的数据能不能放入寄存器或CPU高速缓存。 因此不要仅仅因为堆上性能不如栈这个印象，就总是优先选择栈，导致代码更复杂的实现。 +总之，栈的分配速度肯定比堆上快，但是读取速度往往取决于你的数据能不能放入寄存器或 CPU 高速缓存。 因此不要仅仅因为堆上性能不如栈这个印象，就总是优先选择栈，导致代码更复杂的实现。 -## Box的使用场景 -由于`Box`是简单的封装，除了将值存储在堆上外，并没有其它性能上的损耗。而性能和功能往往是鱼和熊掌，因此`Box`相比其它智能指针，功能较为单一，可以在以下场景中使用它: +## Box 的使用场景 +由于 `Box` 是简单的封装，除了将值存储在堆上外，并没有其它性能上的损耗。而性能和功能往往是鱼和熊掌，因此 `Box` 相比其它智能指针，功能较为单一，可以在以下场景中使用它： - 特意的将数据分配在堆上 - 数据较大时，又不想在转移所有权时进行数据拷贝 @@ -44,8 +44,8 @@ fn foo(x: &str) -> String { 以上场景，我们在本章将一一讲解，后面车速较快，请系好安全带。 -#### 使用`Box`将数据存储在堆上 -如果一个变量拥有一个数值`let a = 3`, 那变量`a`必然是存储在栈上的，那如果我们想要`a`的值存储在堆上就需要使用`Box`: +#### 使用 `Box` 将数据存储在堆上 +如果一个变量拥有一个数值 `let a = 3`，那变量 `a` 必然是存储在栈上的，那如果我们想要 `a` 的值存储在堆上就需要使用 `Box`： ```rust fn main() { let a = Box::new(3); @@ -56,46 +56,46 @@ fn main() { } ``` -这样就可以创建一个智能指针指向了存储在堆上的`3`，并且`a`持有了该指针。在本章的引言中，我们提到了智能指针往往都实现了`Deref`和`Drop`特征，因此： +这样就可以创建一个智能指针指向了存储在堆上的 `3`，并且 `a` 持有了该指针。在本章的引言中，我们提到了智能指针往往都实现了 `Deref` 和 `Drop` 特征，因此： -- `println!`可以正常打印出`a`的值，是因为它隐式的调用了`Deref`对智能指针`a`进行了解引用 -- 最后一行代码`let b = a + 1`报错，是因为在表达式中，我们无法自动隐式的执行`Deref`解引用操作, 你需要使用`*`操作符`let b = *a + 1`，来显式的进行解引用 -- `a`持有的智能指针将在作用结束(`main`函数结束)时，被释放掉，这是因为`Box`实现了`Drop`特征 +- `println!` 可以正常打印出 `a` 的值，是因为它隐式地调用了 `Deref` 对智能指针 `a` 进行了解引用 +- 最后一行代码 ` let b = a + 1` 报错，是因为在表达式中，我们无法自动隐式地执行 `Deref` 解引用操作，你需要使用 `*` 操作符 `let b = *a + 1`，来显式的进行解引用 +- `a` 持有的智能指针将在作用结束(`main` 函数结束)时，被释放掉，这是因为 `Box` 实现了 `Drop` 特征 -以上的例子在实际代码中其实很少会存在，因为将一个简单的值分配到堆上并没有太大的意义。将其分配在栈上，由于寄存器、CPU缓存的原因，它的性能将更好，而且代码可读性也更好。 +以上的例子在实际代码中其实很少会存在，因为将一个简单的值分配到堆上并没有太大的意义。将其分配在栈上，由于寄存器、CPU 缓存的原因，它的性能将更好，而且代码可读性也更好。 #### 避免栈上数据的拷贝 当栈上数据转移所有权时，实际上是把数据拷贝了一份，最终新旧变量各自拥有不同的数据，因此所有权并未转移。 -而堆上则不然，底层数据并不会被拷贝，转移所有权仅仅是复制一份栈中的指针，再将新的指针赋予新的变量，然后让拥有旧指针的变量失效，最终完成了所有权的转移: +而堆上则不然，底层数据并不会被拷贝，转移所有权仅仅是复制一份栈中的指针，再将新的指针赋予新的变量，然后让拥有旧指针的变量失效，最终完成了所有权的转移： ```rust fn main() { // 在栈上创建一个长度为1000的数组 let arr = [0;1000]; - // 将arr所有权转移arr1，由于`arr`分配在栈上，因此这里实际上是直接重新深拷贝了一份数据 + // 将arr所有权转移arr1，由于 `arr` 分配在栈上，因此这里实际上是直接重新深拷贝了一份数据 let arr1 = arr; - // arr和arr1都拥有各自的栈上数组，因此不会报错 + // arr 和 arr1 都拥有各自的栈上数组，因此不会报错 println!("{:?}",arr.len()); println!("{:?}",arr1.len()); // 在堆上创建一个长度为1000的数组，然后使用一个智能指针指向它 let arr = Box::new([0;1000]); - // 将堆上数组的所有权转移给arr1, 由于数据在堆上，因此仅仅拷贝了智能指针的结构体，底层数据并没有被拷贝 - // 所有权顺利转移给arr1，arr不再拥有所有权 + // 将堆上数组的所有权转移给 arr1，由于数据在堆上，因此仅仅拷贝了智能指针的结构体，底层数据并没有被拷贝 + // 所有权顺利转移给 arr1，arr 不再拥有所有权 let arr1 = arr; println!("{:?}",arr1.len()); - // 由于arr不再拥有底层数组的所有权，因此下面代码将报错 + // 由于 arr 不再拥有底层数组的所有权，因此下面代码将报错 // println!("{:?}",arr.len()); } ``` -从以上代码，可以清晰看出大块的数据为何应该放入堆中，此时`Box`就成为了我们最好的帮手. +从以上代码，可以清晰看出大块的数据为何应该放入堆中，此时 `Box` 就成为了我们最好的帮手。 -#### 将动态大小类型变为Sized固定大小类型 -Rust需要在编译时知道类型占用多少空间, 如果一种类型在编译时无法知道具体的大小，那么被称为动态大小类型DST。 +#### 将动态大小类型变为 Sized 固定大小类型 +Rust 需要在编译时知道类型占用多少空间，如果一种类型在编译时无法知道具体的大小，那么被称为动态大小类型 DST。 -其中一种无法在编译时知道大小的类型是**递归类型**：在类型定义中又使用到了自身，或者说该类型的值的一部分可以是相同类型的其它值，这种值的嵌套理论上可以无限进行下去，所以Rust不知道递归类型需要多少空间: +其中一种无法在编译时知道大小的类型是**递归类型**：在类型定义中又使用到了自身，或者说该类型的值的一部分可以是相同类型的其它值，这种值的嵌套理论上可以无限进行下去，所以 Rust 不知道递归类型需要多少空间： ```rust enum List { Cons(i32, List), @@ -103,9 +103,9 @@ enum List { } ``` -以上就是函数式语言中常见的`Cons List`，它的每个节点包含一个`i32`值，还包含了一个新的`List`，因此这种嵌套可以无限进行下去，然后Rust认为该类型是一个DST类型，并给予报错: +以上就是函数式语言中常见的 `Cons List`，它的每个节点包含一个 `i32` 值，还包含了一个新的 `List`，因此这种嵌套可以无限进行下去，Rust 认为该类型是一个 DST 类型，并给予报错： ```console -error[E0072]: recursive type `List` has infinite size //递归类型`List`拥有无限长的大小 +error[E0072]: recursive type `List` has infinite size //递归类型 `List` 拥有无限长的大小 --> src/main.rs:3:1 | 3 | enum List { @@ -114,7 +114,7 @@ error[E0072]: recursive type `List` has infinite size //递归类型`List`拥有 | ---- recursive without indirection ``` -此时若想解决这个问题，就可以使用我们的`Box`: +此时若想解决这个问题，就可以使用我们的 `Box`： ```rust enum List { Cons(i32, Box), @@ -122,10 +122,10 @@ enum List { } ``` -只需要将`List`存储到堆上，然后使用一个智能指针指向它，即可完成从DST到Sized类型(固定大小类型)的华丽转变. +只需要将 `List` 存储到堆上，然后使用一个智能指针指向它，即可完成从 DST 到 Sized 类型(固定大小类型)的华丽转变。 #### 特征对象 -在Rust中，想实现不同类型组成的数组只有两个办法：枚举和特征对象，前者限制较多，因此后者往往是最常用的解决办法。 +在 Rust 中，想实现不同类型组成的数组只有两个办法：枚举和特征对象，前者限制较多，因此后者往往是最常用的解决办法。 ```rust trait Draw { @@ -133,29 +133,26 @@ trait Draw { } struct Button { - id: u32 + id: u32, } impl Draw for Button { fn draw(&self) { - println!("这是屏幕上第{}号按钮",self.id) + println!("这是屏幕上第{}号按钮", self.id) } } struct Select { - id: u32 + id: u32, } impl Draw for Select { fn draw(&self) { - println!("这个选择框贼难用{}",self.id) + println!("这个选择框贼难用{}", self.id) } } fn main() { - let elems: Vec> = vec![ - Box::new(Button{id: 1}), - Box::new(Select{id: 2}) - ]; + let elems: Vec> = vec![Box::new(Button { id: 1 }), Box::new(Select { id: 2 })]; for e in elems { e.draw() @@ -163,12 +160,12 @@ fn main() { } ``` -以上代码将不同类型的`Button`和`Select`包装成`Draw`特征的特征对象，放入一个数组中，`Box`就是特征对象。 +以上代码将不同类型的 `Button` 和 `Select` 包装成 `Draw` 特征的特征对象，放入一个数组中，`Box` 就是特征对象。 -其实，特征也是DST类型，而特征对象在做的也是将DST类型转换为固定大小类型。 +其实，特征也是 DST 类型，而特征对象在做的就是将 DST 类型转换为固定大小类型。 -## Box内存布局 -先来看看`Vec`的内存布局: +## Box 内存布局 +先来看看 `Vec` 的内存布局： ```rust (stack) (heap) ┌──────┐ ┌───┐ @@ -182,9 +179,9 @@ fn main() { └───┘ ``` -之前提到过`Vec`和`String`都是智能指针，从上图可以看出，该智能指针存储在栈中，然后指向堆上的数组数据。 +之前提到过 `Vec` 和 `String` 都是智能指针，从上图可以看出，该智能指针存储在栈中，然后指向堆上的数组数据。 -那如果数组中每个元素都是一个`Box`对象呢？来看看`Vec>`的内存布局: +那如果数组中每个元素都是一个 `Box` 对象呢？来看看 `Vec>` 的内存布局： ```rust (stack) (heap) ┌───┐ ┌──────┐ ┌───┐ ┌─→│ 1 │ @@ -200,11 +197,11 @@ fn main() { └───┘ ``` -上面的`B1`代表被`Box`分配到堆上的值`1`。 +上面的 `B1` 代表被 `Box` 分配到堆上的值 `1`。 -可以看出智能指针`vec2`依然是存储在栈上，然后指针指向一个堆上的数组，该数组中每个元素都是一个`Box`智能指针，最终`Box`智能指针又指向了存储在堆上的实际值。 +可以看出智能指针 `vec2` 依然是存储在栈上，然后指针指向一个堆上的数组，该数组中每个元素都是一个 `Box` 智能指针，最终 `Box` 智能指针又指向了存储在堆上的实际值。 -因此当我们从数组中取出某个元素时，取到的是对应的智能指针`Box`，需要对该智能指针进行解引用，才能取出最终的值: +因此当我们从数组中取出某个元素时，取到的是对应的智能指针 `Box`，需要对该智能指针进行解引用，才能取出最终的值： ```rust fn main() { let arr = vec![Box::new(1), Box::new(2)]; @@ -213,16 +210,16 @@ fn main() { } ``` -以上代码有几个值得注意的点: +以上代码有几个值得注意的点： -- 使用`&`借用数组中的元素，否则会报所有权错误 -- 表达式不能隐式的解引用，因此必须使用`**`做两次解引用，第一次将`&Box`类型转成`Box`，第二次将`Box`转成`i32` +- 使用 `&` 借用数组中的元素，否则会报所有权错误 +- 表达式不能隐式的解引用，因此必须使用 `**` 做两次解引用，第一次将 `&Box` 类型转成 `Box`，第二次将 `Box` 转成 `i32` ## Box::leak -`Box`中还提供了一个非常有用的关联函数：`Box::leak`，它可以消费掉`Box`并且强制目标值从内存中泄漏，读者可能会觉得，这有啥用啊？ +`Box` 中还提供了一个非常有用的关联函数：`Box::leak`，它可以消费掉 `Box` 并且强制目标值从内存中泄漏，读者可能会觉得，这有啥用啊？ -其实还真有点用，例如，你可以把一个`String`类型，变成一个`'static`生命周期的`&str`类型: +其实还真有点用，例如，你可以把一个 `String` 类型，变成一个 `'static` 生命周期的 `&str` 类型： ```rust fn main() { let s = gen_static_str(); @@ -237,20 +234,20 @@ fn gen_static_str() -> &'static str{ } ``` -在之前的代码中，如果`String`创建于函数中，那么返回它的唯一方法就是转移所有权给调用者`fn move_str() -> String`，而通过`Box::leak`我们不仅返回了一个`&str`字符串切片，它还是`'static`类型的！ +在之前的代码中，如果 `String` 创建于函数中，那么返回它的唯一方法就是转移所有权给调用者 `fn move_str() -> String`，而通过 `Box::leak` 我们不仅返回了一个 `&str` 字符串切片，它还是 `'static` 类型的！ -要知道真正具有`'static`生命周期的往往都是编译期就创建的值，例如`let v = "hello,world"`, 这里`v`是直接打包到二进制可执行文件中的，因此该字符串具有`'static`生命周期，再比如`const`常量。 +要知道真正具有 `'static` 生命周期的往往都是编译期就创建的值，例如 `let v = "hello,world"`，这里 `v` 是直接打包到二进制可执行文件中的，因此该字符串具有 `'static` 生命周期，再比如 `const` 常量。 -又有读者要问了，我还可以手动为变量标注`'static`啊。其实你标注的`'static`只是用来忽悠编译器的，但是超出作用域，一样被释放回收。而使用`Box::leak`就可以将一个运行期的值转为`'static`。 +又有读者要问了，我还可以手动为变量标注 `'static` 啊。其实你标注的 `'static` 只是用来忽悠编译器的，但是超出作用域，一样被释放回收。而使用 `Box::leak` 就可以将一个运行期的值转为 `'static`。 #### 使用场景 光看上面的描述，大家可能还是云里雾里、一头雾水。 -那么我说一个简单的场景，**你需要一个在运行期初始化的值，但是可以全局有效，也就是和整个程序活得一样久**, 那么久可以使用`Box::leak`，例如有一个存储配置的结构体实例，它是在运行期动态插入内容，那么就可以将其转为全局有效，虽然`Rc/Arc`也可以实现此功能，但是`Box::leak`是性能最高的。 +那么我说一个简单的场景，**你需要一个在运行期初始化的值，但是可以全局有效，也就是和整个程序活得一样久**，那么久可以使用 `Box::leak`，例如有一个存储配置的结构体实例，它是在运行期动态插入内容，那么就可以将其转为全局有效，虽然 `Rc/Arc` 也可以实现此功能，但是 `Box::leak` 是性能最高的。 ## 总结 -`Box`背后是调用`jemalloc`来做内存管理，所以堆上的空间无需我们的手动管理。与此类似，带GC的语言中的对象也是借助于box概念来实现的，一切皆对象 = 一切皆box， 只不过我们无需自己去box罢了。 +`Box` 背后是调用 `jemalloc` 来做内存管理，所以堆上的空间无需我们的手动管理。与此类似，带 GC 的语言中的对象也是借助于 `Box` 概念来实现的，一切皆对象 = 一切皆 Box， 只不过我们无需自己去 `Box` 罢了。 -其实很多时候，编译器的鞭笞可以助我们更快的成长，例如所有权规则里的借用、move、生命周期就是编译器在教我们做人，哦不是，是教我们深刻理解堆栈、内存布局、作用域等你在其它GC语言无需去关注的东西。刚开始是很痛苦，但是一旦熟悉了这套规则，写代码的效率和代码本身的质量将飞速上升，直到你用Java开发的效率写出Java代码不可企及的性能和安全性，最终Rust语言所谓的开发效率低、心智负担高，对你来说终究不是个事。 +其实很多时候，编译器的鞭笞可以助我们更快的成长，例如所有权规则里的借用、move、生命周期就是编译器在教我们做人，哦不是，是教我们深刻理解堆栈、内存布局、作用域等等你在其它 GC 语言无需去关注的东西。刚开始是很痛苦，但是一旦熟悉了这套规则，写代码的效率和代码本身的质量将飞速上升，直到你可以用 Java 开发的效率写出 Java 代码不可企及的性能和安全性，最终 Rust 语言所谓的开发效率低、心智负担高，对你来说终究不是个事。 -因此,不要怪Rust，**它只是在帮我们成为那个更好的程序员，而这些苦难终究成为我们走向优秀的垫脚石**。 +因此，不要怪 Rust，**它只是在帮我们成为那个更好的程序员，而这些苦难终究成为我们走向优秀的垫脚石**。