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<!DOCTYPE HTML>
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<html lang="zh-CN" class="light sidebar-visible" dir="ltr">
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<head>
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<!-- Book generated using mdBook -->
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<meta charset="UTF-8">
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<title>Box<T> 堆对象分配 - Rust语言圣经(Rust Course)</title>
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<!-- Custom HTML head -->
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<meta name="description" content="">
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<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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<meta name="theme-color" content="#ffffff">
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<link rel="icon" href="../../favicon-de23e50b.svg">
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<link rel="shortcut icon" href="../../favicon-8114d1fc.png">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/variables-8adf115d.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/general-2459343d.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/chrome-ae938929.css">
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<link rel="stylesheet" href="../../css/print-9e4910d8.css" media="print">
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<!-- Fonts -->
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<link rel="stylesheet" href="../../fonts/fonts-9644e21d.css">
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<!-- Highlight.js Stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-highlight-css" href="../../highlight-493f70e1.css">
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-tomorrow-night-css" href="../../tomorrow-night-4c0ae647.css">
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<link rel="stylesheet" id="mdbook-ayu-highlight-css" href="../../ayu-highlight-3fdfc3ac.css">
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<!-- Custom theme stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" href="../../theme/style-234bffbf.css">
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<!-- Provide site root and default themes to javascript -->
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<script>
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const path_to_root = "../../";
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const default_light_theme = "light";
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const default_dark_theme = "navy";
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window.path_to_searchindex_js = "../../searchindex-4a1a74fa.js";
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</script>
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<!-- Start loading toc.js asap -->
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<script src="../../toc-42887675.js"></script>
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</head>
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<body>
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<div id="mdbook-help-container">
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<div id="mdbook-help-popup">
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<h2 class="mdbook-help-title">Keyboard shortcuts</h2>
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<div>
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<p>Press <kbd>←</kbd> or <kbd>→</kbd> to navigate between chapters</p>
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<p>Press <kbd>S</kbd> or <kbd>/</kbd> to search in the book</p>
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<p>Press <kbd>?</kbd> to show this help</p>
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<p>Press <kbd>Esc</kbd> to hide this help</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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<div id="mdbook-body-container">
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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<script>
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try {
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let theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
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let sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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if (theme.startsWith('"') && theme.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
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}
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if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
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localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
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}
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} catch (e) { }
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</script>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<script>
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const default_theme = window.matchMedia("(prefers-color-scheme: dark)").matches ? default_dark_theme : default_light_theme;
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let theme;
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try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
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if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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const html = document.documentElement;
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html.classList.remove('light')
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html.classList.add(theme);
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html.classList.add("js");
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</script>
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<input type="checkbox" id="mdbook-sidebar-toggle-anchor" class="hidden">
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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<script>
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let sidebar = null;
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const sidebar_toggle = document.getElementById("mdbook-sidebar-toggle-anchor");
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if (document.body.clientWidth >= 1080) {
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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sidebar = sidebar || 'visible';
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} else {
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sidebar = 'hidden';
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sidebar_toggle.checked = false;
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}
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if (sidebar === 'visible') {
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sidebar_toggle.checked = true;
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} else {
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html.classList.remove('sidebar-visible');
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|
}
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</script>
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<nav id="mdbook-sidebar" class="sidebar" aria-label="Table of contents">
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<!-- populated by js -->
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<mdbook-sidebar-scrollbox class="sidebar-scrollbox"></mdbook-sidebar-scrollbox>
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<noscript>
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<iframe class="sidebar-iframe-outer" src="../../toc.html"></iframe>
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</noscript>
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<div id="mdbook-sidebar-resize-handle" class="sidebar-resize-handle">
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<div class="sidebar-resize-indicator"></div>
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</div>
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</nav>
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<div id="mdbook-page-wrapper" class="page-wrapper">
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<div class="page">
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<div id="mdbook-menu-bar-hover-placeholder"></div>
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<div id="mdbook-menu-bar" class="menu-bar sticky">
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<div class="left-buttons">
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<label id="mdbook-sidebar-toggle" class="icon-button" for="mdbook-sidebar-toggle-anchor" title="Toggle Table of Contents" aria-label="Toggle Table of Contents" aria-controls="mdbook-sidebar">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 448 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M0 96C0 78.3 14.3 64 32 64H416c17.7 0 32 14.3 32 32s-14.3 32-32 32H32C14.3 128 0 113.7 0 96zM0 256c0-17.7 14.3-32 32-32H416c17.7 0 32 14.3 32 32s-14.3 32-32 32H32c-17.7 0-32-14.3-32-32zM448 416c0 17.7-14.3 32-32 32H32c-17.7 0-32-14.3-32-32s14.3-32 32-32H416c17.7 0 32 14.3 32 32z"/></svg></span>
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</label>
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<button id="mdbook-theme-toggle" class="icon-button" type="button" title="Change theme" aria-label="Change theme" aria-haspopup="true" aria-expanded="false" aria-controls="mdbook-theme-list">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 576 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M371.3 367.1c27.3-3.9 51.9-19.4 67.2-42.9L600.2 74.1c12.6-19.5 9.4-45.3-7.6-61.2S549.7-4.4 531.1 9.6L294.4 187.2c-24 18-38.2 46.1-38.4 76.1L371.3 367.1zm-19.6 25.4l-116-104.4C175.9 290.3 128 339.6 128 400c0 3.9 .2 7.8 .6 11.6c1.8 17.5-10.2 36.4-27.8 36.4H96c-17.7 0-32 14.3-32 32s14.3 32 32 32H240c61.9 0 112-50.1 112-112c0-2.5-.1-5-.2-7.5z"/></svg></span>
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</button>
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<ul id="mdbook-theme-list" class="theme-popup" aria-label="Themes" role="menu">
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-default_theme">Auto</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-light">Light</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-rust">Rust</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-coal">Coal</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-navy">Navy</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="mdbook-theme-ayu">Ayu</button></li>
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</ul>
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<button id="mdbook-search-toggle" class="icon-button" type="button" title="Search (`/`)" aria-label="Toggle Searchbar" aria-expanded="false" aria-keyshortcuts="/ s" aria-controls="mdbook-searchbar">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M416 208c0 45.9-14.9 88.3-40 122.7L502.6 457.4c12.5 12.5 12.5 32.8 0 45.3s-32.8 12.5-45.3 0L330.7 376c-34.4 25.2-76.8 40-122.7 40C93.1 416 0 322.9 0 208S93.1 0 208 0S416 93.1 416 208zM208 352c79.5 0 144-64.5 144-144s-64.5-144-144-144S64 128.5 64 208s64.5 144 144 144z"/></svg></span>
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</button>
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</div>
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<h1 class="menu-title">Rust语言圣经(Rust Course)</h1>
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<div class="right-buttons">
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<a href="../../print.html" title="Print this book" aria-label="Print this book">
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<span class=fa-svg id="print-button"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M128 0C92.7 0 64 28.7 64 64v96h64V64H354.7L384 93.3V160h64V93.3c0-17-6.7-33.3-18.7-45.3L400 18.7C388 6.7 371.7 0 354.7 0H128zM384 352v32 64H128V384 368 352H384zm64 32h32c17.7 0 32-14.3 32-32V256c0-35.3-28.7-64-64-64H64c-35.3 0-64 28.7-64 64v96c0 17.7 14.3 32 32 32H64v64c0 35.3 28.7 64 64 64H384c35.3 0 64-28.7 64-64V384zm-16-88c-13.3 0-24-10.7-24-24s10.7-24 24-24s24 10.7 24 24s-10.7 24-24 24z"/></svg></span>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course" title="Git repository" aria-label="Git repository">
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 496 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M165.9 397.4c0 2-2.3 3.6-5.2 3.6-3.3.3-5.6-1.3-5.6-3.6 0-2 2.3-3.6 5.2-3.6 3-.3 5.6 1.3 5.6 3.6zm-31.1-4.5c-.7 2 1.3 4.3 4.3 4.9 2.6 1 5.6 0 6.2-2s-1.3-4.3-4.3-5.2c-2.6-.7-5.5.3-6.2 2.3zm44.2-1.7c-2.9.7-4.9 2.6-4.6 4.9.3 2 2.9 3.3 5.9 2.6 2.9-.7 4.9-2.6 4.6-4.6-.3-1.9-3-3.2-5.9-2.9zM244.8 8C106.1 8 0 113.3 0 252c0 110.9 69.8 205.8 169.5 239.2 12.8 2.3 17.3-5.6 17.3-12.1 0-6.2-.3-40.4-.3-61.4 0 0-70 15-84.7-29.8 0 0-11.4-29.1-27.8-36.6 0 0-22.9-15.7 1.6-15.4 0 0 24.9 2 38.6 25.8 21.9 38.6 58.6 27.5 72.9 20.9 2.3-16 8.8-27.1 16-33.7-55.9-6.2-112.3-14.3-112.3-110.5 0-27.5 7.6-41.3 23.6-58.9-2.6-6.5-11.1-33.3 2.6-67.9 20.9-6.5 69 27 69 27 20-5.6 41.5-8.5 62.8-8.5s42.8 2.9 62.8 8.5c0 0 48.1-33.6 69-27 13.7 34.7 5.2 61.4 2.6 67.9 16 17.7 25.8 31.5 25.8 58.9 0 96.5-58.9 104.2-114.8 110.5 9.2 7.9 17 22.9 17 46.4 0 33.7-.3 75.4-.3 83.6 0 6.5 4.6 14.4 17.3 12.1C428.2 457.8 496 362.9 496 252 496 113.3 383.5 8 244.8 8zM97.2 352.9c-1.3 1-1 3.3.7 5.2 1.6 1.6 3.9 2.3 5.2 1 1.3-1 1-3.3-.7-5.2-1.6-1.6-3.9-2.3-5.2-1zm-10.8-8.1c-.7 1.3.3 2.9 2.3 3.9 1.6 1 3.6.7 4.3-.7.7-1.3-.3-2.9-2.3-3.9-2-.6-3.6-.3-4.3.7zm32.4 35.6c-1.6 1.3-1 4.3 1.3 6.2 2.3 2.3 5.2 2.6 6.5 1 1.3-1.3.7-4.3-1.3-6.2-2.2-2.3-5.2-2.6-6.5-1zm-11.4-14.7c-1.6 1-1.6 3.6 0 5.9 1.6 2.3 4.3 3.3 5.6 2.3 1.6-1.3 1.6-3.9 0-6.2-1.4-2.3-4-3.3-5.6-2z"/></svg></span>
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</a>
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<a href="https://github.com/sunface/rust-course/edit/main/src/advance/smart-pointer/box.md" title="Suggest an edit" aria-label="Suggest an edit" rel="edit">
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<span class=fa-svg id="git-edit-button"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M421.7 220.3l-11.3 11.3-22.6 22.6-205 205c-6.6 6.6-14.8 11.5-23.8 14.1L30.8 511c-8.4 2.5-17.5 .2-23.7-6.1S-1.5 489.7 1 481.2L38.7 353.1c2.6-9 7.5-17.2 14.1-23.8l205-205 22.6-22.6 11.3-11.3 33.9 33.9 62.1 62.1 33.9 33.9zM96 353.9l-9.3 9.3c-.9 .9-1.6 2.1-2 3.4l-25.3 86 86-25.3c1.3-.4 2.5-1.1 3.4-2l9.3-9.3H112c-8.8 0-16-7.2-16-16V353.9zM453.3 19.3l39.4 39.4c25 25 25 65.5 0 90.5l-14.5 14.5-22.6 22.6-11.3 11.3-33.9-33.9-62.1-62.1L314.3 67.7l11.3-11.3 22.6-22.6 14.5-14.5c25-25 65.5-25 90.5 0z"/></svg></span>
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</a>
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</div>
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</div>
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<div id="mdbook-search-wrapper" class="hidden">
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<form id="mdbook-searchbar-outer" class="searchbar-outer">
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<div class="search-wrapper">
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<input type="search" id="mdbook-searchbar" name="searchbar" placeholder="Search this book ..." aria-controls="mdbook-searchresults-outer" aria-describedby="searchresults-header">
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<div class="spinner-wrapper">
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<span class=fa-svg id="fa-spin"><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M304 48c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zm0 416c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zM48 304c26.5 0 48-21.5 48-48s-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48zm464-48c0-26.5-21.5-48-48-48s-48 21.5-48 48s21.5 48 48 48s48-21.5 48-48zM142.9 437c18.7-18.7 18.7-49.1 0-67.9s-49.1-18.7-67.9 0s-18.7 49.1 0 67.9s49.1 18.7 67.9 0zm0-294.2c18.7-18.7 18.7-49.1 0-67.9S93.7 56.2 75 75s-18.7 49.1 0 67.9s49.1 18.7 67.9 0zM369.1 437c18.7 18.7 49.1 18.7 67.9 0s18.7-49.1 0-67.9s-49.1-18.7-67.9 0s-18.7 49.1 0 67.9z"/></svg></span>
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</div>
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</div>
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<div id="mdbook-searchresults-outer" class="searchresults-outer hidden">
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<div id="mdbook-searchresults-header" class="searchresults-header"></div>
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<ul id="mdbook-searchresults">
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</ul>
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</div>
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</div>
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<!-- Apply ARIA attributes after the sidebar and the sidebar toggle button are added to the DOM -->
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<script>
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document.getElementById('mdbook-sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
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document.getElementById('mdbook-sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
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Array.from(document.querySelectorAll('#mdbook-sidebar a')).forEach(function(link) {
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link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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});
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</script>
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<div id="mdbook-content" class="content">
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<main>
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<h1 id="boxt-堆对象分配"><a class="header" href="#boxt-堆对象分配"><code>Box<T></code> 堆对象分配</a></h1>
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<p>关于作者帅不帅，估计争议还挺多的，但是如果说 <code>Box<T></code> 是不是 Rust 中最常见的智能指针，那估计没有任何争议。因为 <code>Box<T></code> 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。</p>
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<p>之前我们在<a href="https://course.rs/basic/ownership/ownership.html#栈stack与堆heap">所有权章节</a>简单讲过堆栈的概念，这里再补充一些。</p>
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<h2 id="rust-中的堆栈"><a class="header" href="#rust-中的堆栈">Rust 中的堆栈</a></h2>
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<p>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。</p>
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<p>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<strong>操作系统对栈内存的大小都有限制</strong>，因此 C 语言中无法创建任意长度的数组。在 Rust 中，<code>main</code> 线程的<a href="https://course.rs/compiler/pitfalls/stack-overflow.html">栈大小是 <code>8MB</code></a>，普通线程是 <code>2MB</code>，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 <code>Drop</code> 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。</p>
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<p>与栈相反，堆上内存则是从低位地址向上增长，<strong>堆内存通常只受物理内存限制</strong>，而且通常是不连续的，因此从性能的角度看，栈往往比堆更高。</p>
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<p>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：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">fn main() {
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let b = foo("world");
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println!("{}", b);
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}
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fn foo(x: &str) -> String {
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let a = "Hello, ".to_string() + x;
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a
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}</code></pre>
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<p>在 <code>foo</code> 函数中，<code>a</code> 是 <code>String</code> 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 <code>foo</code> 函数转移给 <code>main</code> 中的 <code>b</code> 变量时，栈上的智能指针被复制一份赋予给 <code>b</code>，而底层数据无需发生改变，这样就完成了所有权从 <code>foo</code> 函数内部到 <code>b</code> 的转移。</p>
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<h4 id="堆栈的性能"><a class="header" href="#堆栈的性能">堆栈的性能</a></h4>
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<p>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：</p>
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<ul>
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<li>小型数据，在栈上的分配性能和读取性能都要比堆上高</li>
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<li>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</li>
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<li>大型数据，只建议在堆上分配和使用</li>
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</ul>
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<p>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。</p>
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<h2 id="box-的使用场景"><a class="header" href="#box-的使用场景">Box 的使用场景</a></h2>
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<p>由于 <code>Box</code> 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 <code>Box</code> 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：</p>
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<ul>
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<li>特意的将数据分配在堆上</li>
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<li>数据较大时，又不想在转移所有权时进行数据拷贝</li>
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<li>类型的大小在编译期无法确定，但是我们又需要固定大小的类型时</li>
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<li>特征对象，用于说明对象实现了一个特征，而不是某个特定的类型</li>
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</ul>
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<p>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。</p>
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<h4 id="使用-boxt-将数据存储在堆上"><a class="header" href="#使用-boxt-将数据存储在堆上">使用 <code>Box<T></code> 将数据存储在堆上</a></h4>
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<p>如果一个变量拥有一个数值 <code>let a = 3</code>，那变量 <code>a</code> 必然是存储在栈上的，那如果我们想要 <code>a</code> 的值存储在堆上就需要使用 <code>Box<T></code>：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">fn main() {
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let a = Box::new(3);
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println!("a = {}", a); // a = 3
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// 下面一行代码将报错
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// let b = a + 1; // cannot add `{integer}` to `Box<{integer}>`
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}</code></pre>
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<p>这样就可以创建一个智能指针指向了存储在堆上的 <code>3</code>，并且 <code>a</code> 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 <code>Deref</code> 和 <code>Drop</code> 特征，因此：</p>
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<ul>
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<li><code>println!</code> 可以正常打印出 <code>a</code> 的值，是因为它隐式地调用了 <code>Deref</code> 对智能指针 <code>a</code> 进行了解引用</li>
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<li>最后一行代码 <code> let b = a + 1</code> 报错，是因为在表达式中，我们无法自动隐式地执行 <code>Deref</code> 解引用操作，你需要使用 <code>*</code> 操作符 <code>let b = *a + 1</code>，来显式的进行解引用</li>
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<li><code>a</code> 持有的智能指针将在作用域结束（<code>main</code> 函数结束）时，被释放掉，这是因为 <code>Box<T></code> 实现了 <code>Drop</code> 特征</li>
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</ul>
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<p>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。</p>
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<h4 id="避免栈上数据的拷贝"><a class="header" href="#避免栈上数据的拷贝">避免栈上数据的拷贝</a></h4>
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<p>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。</p>
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<p>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：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">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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}</code></pre>
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<p>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 <code>Box</code> 就成为了我们最好的帮手。</p>
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<h4 id="将动态大小类型变为-sized-固定大小类型"><a class="header" href="#将动态大小类型变为-sized-固定大小类型">将动态大小类型变为 Sized 固定大小类型</a></h4>
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<p>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。</p>
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<p>其中一种无法在编译时知道大小的类型是<strong>递归类型</strong>：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：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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</span>enum List {
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Cons(i32, List),
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Nil,
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>以上就是函数式语言中常见的 <code>Cons List</code>，它的每个节点包含一个 <code>i32</code> 值，还包含了一个新的 <code>List</code>，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：</p>
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<pre><code class="language-console">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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</code></pre>
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<p>此时若想解决这个问题，就可以使用我们的 <code>Box<T></code>：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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</span><span class="boring">fn main() {
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|
</span>enum List {
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Cons(i32, Box<List>),
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Nil,
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}
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<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>只需要将 <code>List</code> 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。</p>
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<h4 id="特征对象"><a class="header" href="#特征对象">特征对象</a></h4>
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<p>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。</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">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![Box::new(Button { id: 1 }), Box::new(Select { id: 2 })];
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for e in elems {
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e.draw()
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}
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}</code></pre>
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<p>以上代码将不同类型的 <code>Button</code> 和 <code>Select</code> 包装成 <code>Draw</code> 特征的特征对象，放入一个数组中，<code>Box<dyn Draw></code> 就是特征对象。</p>
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<p>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。</p>
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<h2 id="box-内存布局"><a class="header" href="#box-内存布局">Box 内存布局</a></h2>
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<p>先来看看 <code>Vec<i32></code> 的内存布局：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
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|
</span><span class="boring">fn main() {
|
|
|
</span>(stack) (heap)
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┌──────┐ ┌───┐
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│ vec1 │──→│ 1 │
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|
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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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|
<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>之前提到过 <code>Vec</code> 和 <code>String</code> 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。</p>
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<p>那如果数组中每个元素都是一个 <code>Box</code> 对象呢？来看看 <code>Vec<Box<i32>></code> 的内存布局：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021"><span class="boring">#![allow(unused)]
|
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|
</span><span class="boring">fn main() {
|
|
|
</span> (heap)
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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 │─┐ ┌───┐
|
|
|
├───┤ └─→│ 3 │
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|
│B4 │─┐ └───┘
|
|
|
└───┘ │ ┌───┐
|
|
|
└─→│ 4 │
|
|
|
└───┘
|
|
|
<span class="boring">}</span></code></pre>
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<p>上面的 <code>B1</code> 代表被 <code>Box</code> 分配到堆上的值 <code>1</code>。</p>
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<p>可以看出智能指针 <code>vec2</code> 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 <code>Box</code> 智能指针，最终 <code>Box</code> 智能指针又指向了存储在堆上的实际值。</p>
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<p>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 <code>Box</code>，需要对该智能指针进行解引用，才能取出最终的值：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">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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|
}</code></pre>
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<p>以上代码有几个值得注意的点：</p>
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<ul>
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<li>使用 <code>&</code> 借用数组中的元素，否则会报所有权错误</li>
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<li>表达式不能隐式的解引用，因此必须使用 <code>**</code> 做两次解引用，第一次将 <code>&Box<i32></code> 类型转成 <code>Box<i32></code>，第二次将 <code>Box<i32></code> 转成 <code>i32</code></li>
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</ul>
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<h2 id="boxleak"><a class="header" href="#boxleak">Box::leak</a></h2>
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<p><code>Box</code> 中还提供了一个非常有用的关联函数：<code>Box::leak</code>，它可以消费掉 <code>Box</code> 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？</p>
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<p>其实还真有点用，例如，你可以把一个 <code>String</code> 类型，变成一个 <code>'static</code> 生命周期的 <code>&str</code> 类型：</p>
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<pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">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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}</code></pre>
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<p>在之前的代码中，如果 <code>String</code> 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 <code>fn move_str() -> String</code>，而通过 <code>Box::leak</code> 我们不仅返回了一个 <code>&str</code> 字符串切片，它还是 <code>'static</code> 生命周期的！</p>
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<p>要知道真正具有 <code>'static</code> 生命周期的往往都是编译期就创建的值，例如 <code>let v = "hello, world"</code>，这里 <code>v</code> 是直接打包到二进制可执行文件中的，因此该字符串具有 <code>'static</code> 生命周期，再比如 <code>const</code> 常量。</p>
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<p>又有读者要问了，我还可以手动为变量标注 <code>'static</code> 啊。其实你标注的 <code>'static</code> 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 <code>Box::leak</code> 就可以将一个运行期的值转为 <code>'static</code>。</p>
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<h4 id="使用场景"><a class="header" href="#使用场景">使用场景</a></h4>
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<p>光看上面的描述，大家可能还是云里雾里、一头雾水。</p>
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<p>那么我说一个简单的场景，<strong>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</strong>，那么就可以使用 <code>Box::leak</code>，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 <code>Rc/Arc</code> 也可以实现此功能，但是 <code>Box::leak</code> 是性能最高的。</p>
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<h2 id="总结"><a class="header" href="#总结">总结</a></h2>
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<p><code>Box</code> 背后是调用 <code>jemalloc</code> 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 <code>Box</code> 概念来实现的，<strong>一切皆对象 = 一切皆 Box</strong>， 只不过我们无需自己去 <code>Box</code> 罢了。</p>
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<p>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。</p>
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<p>因此，不要怪 Rust，<strong>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</strong>。</p>
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</main>
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<nav class="nav-wrapper" aria-label="Page navigation">
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<!-- Mobile navigation buttons -->
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<span class=fa-svg><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 320 512"><!--! Font Awesome Free 6.2.0 by @fontawesome - https://fontawesome.com License - https://fontawesome.com/license/free (Icons: CC BY 4.0, Fonts: SIL OFL 1.1, Code: MIT License) Copyright 2022 Fonticons, Inc. --><path d="M41.4 233.4c-12.5 12.5-12.5 32.8 0 45.3l160 160c12.5 12.5 32.8 12.5 45.3 0s12.5-32.8 0-45.3L109.3 256 246.6 118.6c12.5-12.5 12.5-32.8 0-45.3s-32.8-12.5-45.3 0l-160 160z"/></svg></span>
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</a>
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