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装箱 Box 数据类型

article 2024/12/28 19:02:40

装箱是最简单直接的一种智能指针，它的类型是Box<T>。装箱使我们可以把数据存储到堆上，并在栈上保留一个指向堆数据的指针。装箱操作常常被用于下面的场景：

当你拥有一个无法在编译时确定大小的类型，但又想使用这个类型的值时。
当你需要传递大量数据的所有权，但又不希望产生大量数据的复制行为时。
当你希望拥有一个实现了指定trait的类型值，但又不关心具体的类型时。

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    println!("b = {}", *b + 3);
    println!("b = {}", b);
}

常规引用就是一种类型的指针，你可以将指针形象地理解为一个箭头，它会指向存储在别处的某个值。

装箱类似于常规指针，也可以通过解引用来获取装箱实际的值，代码中*b就是如此。这个定义和Go中的unsafe.Pointer非常类似，所有具体类型的指针都可以用一种类型的指针来表示。

定义递归类型

RUST必须在编译时知道每一种类型占据的空间大小，但有一种递归的类型却无法在编译时被确定具体大小。比如下面例子中的链表：

use crate::List::{Cons, Nil};
enum List {
    Cons(i32, List),
    Nil,
}

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

我们尝试使用枚举来表达一个持有i32值的链表数据类型，通过不断嵌套元组的形式最终组成一个列表。

但程序无法编译通过，RUST认为这个类型拥有无限大小，无法确认类型所占用的存储空间大小。

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

RUST如何计算Message类型的大小？为了计算Message值需要多大的存储空间，RUST会遍历枚举中的每一个成员来找到需要最大空间的那个变体。Message::Quit不需要占用任何空间，Message::Move需要两个存储i32值的空间，以此类推。

因为指针大小是恒定的，要改变这样无穷递归的情况，就应该将Cons变体中存放一个Box<T>而不是直接存放另外一个List值，而Box<T>则会指向下一个List并存储在堆上。

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))))));
}

新的Cons变体中需要一部分存储i32的空间和一部分存储装箱指针的空间，这样调整之后，List值都只需要占用一个i32值加上一个装箱指针的空间。通过使用装箱，我们打破了无限递归的过程，进而使编译器可以计算出List值所占用的空间。

Box<T>属于智能指针的一种，因为它实现了Defer trait，所以允许我们将Box<T>的值当做引用来对待。当一个Box<T>值离开作用域时，因为它实现了Drop trait，所以Box<T>指向的堆数据会自动地被清理释放。==

实现 `Defer trait`将类型视作引用

定义我们自己的智能指针，Box<T>类型最终被定义为拥有两个元素的元组结构体。结构体给Deref trait实现了defef方法，该方法会借用self并返回一个指向元素第一个元素的引用。

RUST所有权系统决定了deref方法需要返回一个引用。假设deref方法使编译器直接返回了值而不是指向值的引用，那么这个值就会被移除self。在大多数使用解引用运算符的场景下，我们并不希望获取MyBox<T>内部值的所有权。

type Target = T 定义了Deref trait的一个关联类型。我们在deref方法体中返回指向第一个元素的引用，进而允许调用者通过*运算符访问值。

use std::ops::Deref;

struct MyBox<T>(T, T);

impl<T> MyBox<T> {
    fn new(x: T, y: T) -> MyBox<T> {
        MyBox(x, y)
    }
}

impl<T> Deref for MyBox<T> {
    type Target = T;

    fn deref(&self) -> &Self::Target {
        &self.0
    }
}

fn hello(language: &str) {
    println!("Hello, {}", language)
}

fn main() {
    let m = MyBox::new(String::from("Rust"), String::from("Go"));
    hello(&m);
}

在没有Deref trait的情况下，编译器只能对&形式的常规引用执行解引用操作。deref方法使编译器可以从任何实现了Deref的类型中获取值，并能够调用deref方法来获取一个可以进行解引用的引用。

解引用转换（deref coercion）是RUST为函数和方法的参数提供的一种便捷特性。当某个类型T实现了Deref trait时，它能够将T的引用转换为T经过Deref操作之后的引用。

函数hello接收&str字符串切片类型，自定义MyBox<T>自动解引用为元组第一个元素的引用&String。函数体需要&str类型，但现在传入的是&String类型，为什么编译依然能够通过呢？

能够使用&String的原因也是因为解引用操作，编译器可以自动将&String类型的参数强制转换为&str类型。

解引用转换与可变性

使用Deref trait能够重载不可变引用的*运算符，与之类似，使用DerefMut trait能够重载可变引用*运算符。

RUST会在类型与trait满足下面三种情形下执行解引用转换：

当T: Deref<Traget=U>时，允许&T转换为&U。
当T: DerefMut<Target=U>时，允许&mut T转换为&mut U。
当T: Deref<Target=U>时，允许&mut T转换为&U。

第三种情况，RUST会将一个可变引用转换为一个不可变引用。但这个过程绝对不可逆，也就是说不可变引用永远不可能转换为可变引用。因为按照借用规则，如果存在一个可变引用，那么它就必须是唯一的引用，否则程序无法编译通过。

`Drop trait`在清理时运行代码

我们可以通过实现Drop trait来指定值离开作用域时需要运行的代码。Drop trait要求实现一个接收self可变引用作为参数的drop函数。

Go语言中的defer也有类似的能力，在离开作用域时执行代码。

struct CustomSmartPointer {
    data: String,
}

impl Drop for CustomSmartPointer {
    fn drop(&mut self) {
        println!("Dropping CustomSmartPoint with data {}", self.data)
    }
}

fn main() {
    let c = CustomSmartPointer {
        data: String::from("my stuff"),
    };
    let d = CustomSmartPointer {
        data: String::from("other stuff"),
    };
    // drop(c);
    println!("main")
}