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# `Box<T>` 堆对象分配
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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，那估计没有任何争议。因为 `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。
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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。
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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://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。
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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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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：
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```rust
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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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}
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```
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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。
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#### 堆栈的性能
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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：
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- 小型数据，在栈上的分配性能和读取性能都要比堆上高
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- 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
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- 大型数据，只建议在堆上分配和使用
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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。
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## Box 的使用场景
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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：
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- 特意的将数据分配在堆上
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- 数据较大时，又不想在转移所有权时进行数据拷贝
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- 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
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- 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
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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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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>`：
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```rust
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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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}
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```
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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：
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- `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
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- 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
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- `a` 持有的智能指针将在作用域结束（`main` 函数结束）时，被释放掉，这是因为 `Box<T>` 实现了 `Drop` 特征
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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，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 `Box<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![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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}
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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，而特征对象在做的就是将 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。
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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。
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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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