Rust中的Box<T>智能指针

引言

rust中有许多智能智能，关于智能指针的定义：智能指针（Smart Pointers）是一类封装了资源管理逻辑的数据结构，它们不仅仅是指向内存地址的“指针”，还负责资源的生命周期管理、所有权转移、引用计数、惰性计算等功能。常见的智能指针有：

Box：在堆上分配数据；
Rc：单线程下的引用计数；
Arc：多线程下的原子引用计数；
RefCell：运行时可变性（单线程）；
Mutex / RwLock：用于线程安全的内部可变性
Cell：简单值类型的内部可变性（不返回引用）等等。
今天我们来着重介绍一下 Box

Box

Box本质上就是一个拥有所有权的指针，指向堆上存储的值 T。

1	let b = Box::new(123);

123 是分配在堆上的
b 是一个指向这个堆上数据的指针

使用场景

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
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
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

接下来，我们来详细说明
第一点，我们在日常实践中几乎很少遇到，意义不大，略过。

避免栈上的数据拷贝

当栈上的数据转移所有权时，实际上进行的时数据的拷贝，最终新旧数据拥有的是不同数据，只是值相同而已，因此所有权并未转移。

但是堆上则不同，堆上数据的所有权转移，实际上是复制指针，底层的数据并不会被拷贝，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。

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
    let arr1 = arr;

    // 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
    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
    // println!("{:?}", arr.len());
}

将动态大小类型变为 Sized 固定大小类型

这一方面最常用的实践就是实现我们特殊的数据结构，比如我们的递归数据结构类型

enum List {
    Cons(i32, Box<List>),
    Nil,
}

use List::*;

let list = Cons(1, Box::new(Cons(2, Box::new(Nil))));

特征对象

我们一般无法使两个不同类型的变量放入一个数组中，但是特征对象可以做到。
特征对象（Trait Object） 是一种通过接口（trait）而非具体类型访问值的机制，Box 表示一个指向某个实现了 Trait 的类型的值的堆分配指针。它启用了 动态分发（dynamic dispatch），即运行时通过 vtable 决定调用哪个具体实现。

大概做法就是使不同的类型实现一个相同的特征接口（trait），达到将一个特征近似的看作我们自定义的类型，即特征对象，而实现了这个特征的结构体或者类型，都将属于我们特征对象。

trait Animal {
    fn speak(&self);
}

struct Dog;
impl Animal for Dog {
    fn speak(&self) {
        println!("Woof!");
    }
}

struct Cat;
impl Animal for Cat {
    fn speak(&self) {
        println!("Meow!");
    }
}

fn make_animal() -> Box<dyn Animal> {
    Box::new(Dog)
}

fn main() {
    let a: Box<dyn Animal> = make_animal();
    a.speak(); // 输出 Woof!
}