学习笔记 20240805 Rust语言-Rust语言圣经-Box＜T＞

20240805

智能指针概述

在各个编程语言中，指针的概念几乎都是相同的：指针是一个包含了内存地址的变量，该内存地址引用或者指向了另外的数据。

在 Rust 中，最常见的指针类型是引用，引用通过 & 符号表示。不同于其它语言，引用在 Rust 中被赋予了更深层次的含义，那就是：借用其它变量的值。引用本身很简单，除了指向某个值外并没有其它的功能，也不会造成性能上的额外损耗，因此是 Rust 中使用最多的指针类型。

而智能指针则不然，它虽然也号称指针，但是它是一个复杂的家伙：通过比引用更复杂的数据结构，包含比引用更多的信息，例如元数据，当前长度，最大可用长度等。总之，Rust 的智能指针并不是独创，在 C++ 或者其他语言中也存在相似的概念。

Rust 标准库中定义的那些智能指针，虽重但强，可以提供比引用更多的功能特性，例如本章将讨论的引用计数智能指针。该智能指针允许你同时拥有同一个数据的多个所有权，它会跟踪每一个所有者并进行计数，当所有的所有者都归还后，该智能指针及指向的数据将自动被清理释放。

引用和智能指针的另一个不同在于前者仅仅是借用了数据，而后者往往可以拥有它们指向的数据，然后再为其它人提供服务。

在之前的章节中，实际上我们已经见识过多种智能指针，例如动态字符串 String 和动态数组 Vec，它们的数据结构中不仅仅包含了指向底层数据的指针，还包含了当前长度、最大长度等信息，其中 String 智能指针还提供了一种担保信息：所有的数据都是合法的 UTF-8 格式。

智能指针往往是基于结构体实现，它与我们自定义的结构体最大的区别在于它实现了 Deref 和 Drop 特征：

• Deref 可以让智能指针像引用那样工作，这样你就可以写出同时支持智能指针和引用的代码，例如 *T
• Drop 允许你指定智能指针超出作用域后自动执行的代码，例如做一些数据清除等收尾工作

Box 堆对象分配

Box 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。这里补充一些堆栈的知识

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，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。

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，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。

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，栈往往比堆更高。

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：

fn main() {
    let b = foo("world");
    println!("{}", b);
}

fn foo(x: &str) -> String {
    let a = "Hello, ".to_string() + x;
    a
}

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。

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( 这里原文作者并没有更新 ，自己找一些资料吧) 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，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，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。

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
• 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

使用 Box 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(整数类型属于简单类型，存储在栈上)，那如果我们想要 a 的值存储在堆上就需要使用 Box：

fn main() {
  let a: Box<i32> = Box::new(3);
  println!("a = {}", a); // a = 3

  // 下面一行代码将报错
  // let b = a + 1; // cannot add `{integer}` to `Box<{integer}>`
}

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：

• 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域结束（main 函数结束）时，被释放掉，这是因为 Box 实现了 Drop 特征

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。

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：

use std::ptr::addr_of;

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;
  
  //使用std::ptr::addr_of的addr_of来查看两个数组在内存中的起始位置
  //结果是是两个不同的位置，说明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
  let address = addr_of!(arr);
  let address_1 = addr_of!(arr1);
  
  //
  println!("The memory address of arr is: {:?}", address);
  println!("The memory address of arr1 is: {:?}", address_1);

  // arr 和 arr1 都拥有各自的栈上数组，因此不会报错
  println!("arr 的长度是 {:?}", arr.len());
  println!("arr1 的长度是 {:?}", 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 的长度是 {:?}", 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());
}

运行结果如下：

The memory address of arr is: 0x7ffcdf540680
The memory address of arr1 is: 0x7ffcdf541620
arr 的长度是 1000
arr1 的长度是 1000
arr1 的长度是 1000

从以上代码，可以清晰看出,如果大块的数据存储在栈中，并且是可以深拷贝的数据，那么当发生所有权转移时，会发生大量数据在栈中的复制，占用大量空间。而放入堆中只需复制指针并且赋予给新的变量即可。此时 Box 就成为了我们最好的帮手。

PS:为了检测Box是否是在堆上分配数据，将let arr = Box::new([0;1000]);改为let arr = Box::new([0;2097153]); 因为一个i32类型大小是4B，当数组元素达到2097152(2*1024*1024 = 2M)时，这个数组刚好是大小8MB，是main函数栈的最大容量，而我们只要选用比这个数大即可，所以这里选用2097153即可。

fn main() {
  // 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;2097153]);
  // 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());
}

报错如下：

thread 'main' has overflowed its stack
fatal runtime error: stack overflow

这就奇怪了，我们明明是用的Box::new，理论上应该是分配到堆上，为什么会报错栈溢出呢？

我们运行时默认使用的是Debug模式，debug模式下会先在栈上分配，再复制到堆上，换成release 模式(用于生产环境，可以通过cargo build --release或cargo run --release来指定,不包含调试信息，专注于性能优化。,优化级别高，运行速度快，但编译速度慢)直接在堆上分配.

cargo run --release

2097153

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：

enum List {
    Cons(i32, List),
    Nil,
}

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：

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 {
  | ^^^^^^^^^ recursive type has infinite size
4 |     Cons(i32, List),
  |               ---- recursive without indirection

此时若想解决这个问题，就可以使用我们的 Box：

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

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，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。

trait Draw {
    fn draw(&self);
}

struct Button {
    id: u32,
}
impl Draw for Button {
    fn draw(&self) {
        println!("这是屏幕上第{}号按钮", self.id)
    }
}

struct Select {
    id: u32,
}

impl Draw for Select {
    fn draw(&self) {
        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 })];

    for e in elems {
        e.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 就是特征对象。这样只要是实现了Draw特征的类型都能放入Vec中了。

说明dyn：

• 回忆一下泛型章节我们提到过的，泛型是在编译期完成处理的：编译器会为每一个泛型参数对应的具体类型生成一份代码，这种方式是静态分发(static dispatch)，因为是在编译期完成的，对于运行期性能完全没有任何影响。

• 与静态分发相对应的是动态分发(dynamic dispatch)，在这种情况下，直到运行时，才能确定需要调用什么方法。之前代码中的关键字 dyn 正是在强调这一“动态”的特点。

• 当使用特征对象时，Rust 必须使用动态分发。编译器无法知晓所有可能用于特征对象代码的类型，所以它也不知道应该调用哪个类型的哪个方法实现。为此，Rust 在运行时使用特征对象中的指针来知晓需要调用哪个方法。动态分发也阻止编译器有选择的内联方法代码，这会相应的禁用一些优化。

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 的内存布局：

(stack)    (heap)
┌──────┐   ┌───┐
│ vec1 │──→│ 1 │
└──────┘   ├───┤
           │ 2 │
           ├───┤
           │ 3 │
           ├───┤
           │ 4 │
           └───┘

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> 的内存布局：

                    (heap)
(stack)    (heap)   ┌───┐
┌──────┐   ┌───┐ ┌─→│ 1 │
│ vec2 │──→│B1 │─┘  └───┘
└──────┘   ├───┤    ┌───┐
           │B2 │───→│ 2 │
           ├───┤    └───┘
           │B3 │─┐  ┌───┐
           ├───┤ └─→│ 3 │
           │B4 │─┐  └───┘
           └───┘ │  ┌───┐
                 └─→│ 4 │
                    └───┘

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。

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：

fn main() {
    let arr = vec![Box::new(1), Box::new(2)];
    let (first, second) = (&arr[0], &arr[1]);
    let sum = **first + **second;
}

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， 这里是因为在 Rust 中，当你通过索引访问数组或向量的元素时，你得到的是该元素的不可变引用
• 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 类型转成 Box，第二次将 Box 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，内心独白“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：

fn main() {
   let s = gen_static_str();
   println!("{}", s);
}

fn gen_static_str() -> &'static str{
    let mut s = String::new();
    s.push_str("hello, world");

    Box::leak(s.into_boxed_str())
}

PS：下文仍然没读懂

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 生命周期的！

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。

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，(是的，之前学过生命周期的标注不会真正改变生命周期，只是为了编译器更好理解，不犯迷糊)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，那么就可以使用 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，一切皆对象 = 一切皆 Box， 只不过我们无需自己去 Box 罢了。

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。

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。

参考文献

Rust语言圣经-Box堆对象分配

Rust学习中需要注意的一些点