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@ -6,7 +6,7 @@
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## Rust中的堆栈
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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。
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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://zhuanlan.zhihu.com/p/446039229),普通线程是`2MB`,然后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。
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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://zhuanlan.zhihu.com/p/446039229),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。
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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。
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@ -44,7 +44,7 @@ fn foo(x: &str) -> String {
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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。
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## 使用`Box<T>`将数据存储在堆上
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#### 使用`Box<T>`将数据存储在堆上
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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`Boxt<T>`:
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```rust
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fn main() {
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@ -64,5 +64,193 @@ fn main() {
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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。
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#### 避免栈上数据的拷贝
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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。
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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:
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```rust
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fn main() {
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// 在栈上创建一个长度为1000的数组
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let arr = [0;1000];
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// 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
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let arr1 = arr;
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// arr和arr1都拥有各自的栈上数组,因此不会报错
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println!("{:?}",arr.len());
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println!("{:?}",arr1.len());
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// 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
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let arr = Box::new([0;1000]);
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// 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
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// 所有权顺利转移给arr1,arr不再拥有所有权
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let arr1 = arr;
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println!("{:?}",arr1.len());
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// 由于arr不再拥有底层数组的所有权,因此下面代码将报错
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// println!("{:?}",arr.len());
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}
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```
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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.
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#### 将动态大小类型变为Sized固定大小类型
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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。
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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:
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```rust
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enum List {
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Cons(i32, List),
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Nil,
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}
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```
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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:
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```console
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error[E0072]: recursive type `List` has infinite size //递归类型`List`拥有无限长的大小
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--> src/main.rs:3:1
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3 | enum List {
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| ^^^^^^^^^ recursive type has infinite size
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4 | Cons(i32, List),
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| ---- recursive without indirection
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```
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此时若想解决这个问题,就可以使用我们的`Boxt<T>`:
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```rust
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enum List {
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Cons(i32, Box<List>),
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Nil,
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}
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```
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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.
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#### 特征对象
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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。
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```rust
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trait Draw {
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fn draw(&self);
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}
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struct Button {
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id: u32
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}
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impl Draw for Button {
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fn draw(&self) {
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println!("这是屏幕上第{}号按钮",self.id)
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}
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}
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struct Select {
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id: u32
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}
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impl Draw for Select {
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fn draw(&self) {
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println!("这个选择框贼难用{}",self.id)
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}
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}
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fn main() {
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let elems: Vec<Box<dyn Draw>> = vec![
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Box::new(Button{id: 1}),
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Box::new(Select{id: 2})
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];
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for e in elems {
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e.draw()
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}
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}
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```
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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<dyn Draw>`就是特征对象。
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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。
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## Box内存布局
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先来看看`Vec<i32>`的内存布局:
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```rust
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(stack) (heap)
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┌──────┐ ┌───┐
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│ vec1 │──→│ 1 │
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└──────┘ ├───┤
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│ 2 │
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├───┤
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│ 3 │
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├───┤
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│ 4 │
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└───┘
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```
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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。
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那如果数组中每个元素都是一个`Box`对象呢?来看看`Vec<Box<i32>>`的内存布局:
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```rust
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(stack) (heap) ┌───┐
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┌──────┐ ┌───┐ ┌─→│ 1 │
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│ vec2 │──→│B1 │─┘ └───┘
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└──────┘ ├───┤ ┌───┐
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│B2 │───→│ 2 │
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├───┤ └───┘
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│B3 │─┐ ┌───┐
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├───┤ └─→│ 3 │
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│B4 │─┐ └───┘
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└───┘ │ ┌───┐
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└─→│ 4 │
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└───┘
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```
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上面的`B1`代表被`Box`分配到堆上的值`1`。
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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。
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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:
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```rust
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fn main() {
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let arr = vec![Box::new(1), Box::new(2)];
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let (first,second) = (&arr[0],&arr[1]);
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let sum = **first + **second;
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}
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```
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以上代码有几个值得注意的点:
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- 使用`&`借用数组中的元素,否则会报所有权错误
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- 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<i32>`类型转成`Box<i32>`,第二次将`Box<i32>`转成`i32`
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## Box::leak
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`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?
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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:
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```rust
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fn main() {
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let s = gen_static_str();
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println!("{}",s);
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}
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fn gen_static_str() -> &'static str{
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let mut s = String::new();
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s.push_str("hello, world");
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Box::leak(s.into_boxed_str())
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}
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```
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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!
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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。
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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`。
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#### 使用场景
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光看上面的描述,大家可能还是云里雾里、一头雾水。
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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.
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## 总结
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`Box`背后式调用`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。
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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。
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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**,
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