46_使用Box来指向Heap上的数据

1. 概述

Box<T>是一种最简单的智能指针,它实现了Deref trait和Drop trait。它允许你在heap上存储数据(而不是stack),Box在stack上有一个指针,指向heap上的真正数据。

如下图:

除了把数据存储在heap上之外,Box<T>没有其他的性能开销了,同时也没有其他额外的功能,适用于"间接"存储的场景,例如Cons List。

2. Box的常用场景

Box<T>主要有3个使用场景,如下:

  • 在编译时,某类型的大小无法确定。但使用该类型时,上下文却需要知道它的确切大小。
  • 当你有大量数据,想移交所有权,但确保这些被操作时数据不会被复制。
  • 使用某值时,你只关心是否实现了特定的trait,而不关心它的具体类型。

3. 如何在heap上存储数据

我们先来看个示例代码

rust 复制代码
fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", b);
}

在上面的变量b中,如果我们使用其他数据类型,那么数据将存在stack上,而显示用了Boxnew关联函数,5就存在heap上了。和其他任何拥有所有权的值一样,b在离开自己作用域的时候,会被自动释放存在stack上面的指针,以及存在heap上的数据。

4. 使用Box赋能递归类型

4.1 递归数据结构

在编译时,Rust需要知道每一个类型所占的空间大小,递归类型的数据结构如下图:

而递归类型的大小无法在编译时确定,但在递归类型中使用Box就能解决上述问题。

Cons List是来自Lisp语言的一种数据结构,Cons List里的每个成员由两个元素组成,一个字段是当前项的值,另外一个字段是下一个元素。而下一个元素的数据类型也是当前元素的数据类型。Cons List 里的最后一个成员只包含一个Nil值,没有下一个元素。

其实Cons List就是其中链表,在Rust语言里面,像Cons List的结构并不是常用的集合。通常情况下,Vec<T>是更高的选择。

下面我们尝试在Rust中定义如Cons List 这样的递归数据结构,如下错误的代码:

rust 复制代码
use crate::List::{Cons, Nil};

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

fn main() {
    let list = Cons(1, Cons(2, Cons(3, Nil)));
}

上面的代码编译之后,将会出现报错,因为上面的list是递归的数据类型,拥有是无限制的大小,rust无法计算出存储list需要多大的空间。

4.2 解决存储递归数据结构的问题

我们继续看一个枚举的数据结构,分析Rust如何确定枚举分配的空间大小。

rust 复制代码
enum Message {
    Quit,
    Move { x: i32, y:i32 },
    Write(String),
    ChangeColor(i32, i32, i32),
}

rust会枚举的所有变体,而一个枚举值只会有一个变体存在,所以Message枚举所需要的空间大小也就是能够存储得下最大变体的空间大小。

Box<T>是一个指针,指针的大小不会因为它指向的数据的大小变化而变化,Rust知道它需要多少空间。所以要在Rust中使用Cons,使用Box间接存储Cons中下一个数据即可,如下数据结构:

修改代码如下

rust 复制代码
use crate::List::{Cons, Nil};

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

fn main() {
    let list = Cons(1, 
        Box::new(Cons(2,
            Box::new(Cons(3,
                Box::new(Nil))))));
}

现在使用新的Cons数据结构后,rust便知道使用一部分空间存储i32数据类型,另外一部分空间存储Box(相当于一个指针的大小)。优化之后数据结构仍然是一个递归,而数据不是直接存储了,使用一种间接的方式来指向和存储数据。

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