@ -1,16 +1,16 @@
# `Box<T>` 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< T > `是不是Rust中最常见的智能指针， < T > ` 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<T>` 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<T>` 是不是Rust中最常见的智能指针， `Box<T>` 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， ， ， : 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， ， ：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`， ，
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` 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，
相比其它语言， ， ， ： ， ， 例如以下代码：
相比其它语言， 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` `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， ， ， ，
- 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，
总之， 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< T > ` 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< T > `:
#### 使用 `Box<T>` 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<T>` ：
```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` `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
- `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<T>` 实现了 `Drop` 特征
以上的例子在实际代码中其实很少会存在， ， ， ，
以上的例子在实际代码中其实很少会存在， ， 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，
// 将arr所有权转移arr1， `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，
// 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，
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，
// 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， 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，
// 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，
#### 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`， ， ，
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` ， ，
```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< T > `:
此时若想解决这个问题，就可以使用我们的 `Box<T>` ：
```rust
enum List {
Cons(i32, Box< List > ),
@ -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， ： ， ，
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< Box < dyn Draw > > = vec![
Box::new(Button{id: 1}),
Box::new(Select{id: 2})
];
let elems: Vec< Box < dyn Draw > > = 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< dyn Draw
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。
其实，特征也是DST类型， 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< i32 > `的内存布局:
## Box 内存布局
先来看看 `Vec<i32>` 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< Box < i32 > >`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<Box<i32>>` 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`：
```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< i32 > `类型转成`Box< i32 > `，第二次将`Box< i32 > `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<i32>` 类型转成 `Box<i32>` ，第二次将 `Box<i32>` 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`
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` `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， ， 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， `Box` 罢了。
其实很多时候， ， ， ， ， ， ， ， ，
其实很多时候， ， ， ， 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，
因此，不要怪 Rust，
tomoat
3 years ago
committed by
GitHub