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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「董澤潤的技術(shù)筆記」，作者董澤潤。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系董澤潤的技術(shù)筆記公眾號(hào)。

熟悉 c++ 的肯定知道 shared_ptr, unique_ptr, 而 Rust 也有智能指針 Box, Rc, Arc, RefCell 等等，本文分享 Box 底層實(shí)現(xiàn)

Box <T>會(huì)在堆上分配空間，存儲(chǔ) T 值，并返回對(duì)應(yīng)的指針。同時(shí) Box 也實(shí)現(xiàn)了 trait Deref 解引用和 Drop 析構(gòu)，當(dāng) Box 離開作用域時(shí)自動(dòng)釋放空間

入門例子

例子來自 the rust book, 為了演示方便，去掉打印語句

fn main() { 
    let _ = Box::new(0x11223344); 
} 

將變量 0x11223344 分配在堆上，所謂的裝箱，java 同學(xué)肯定很熟悉。讓我們掛載 docker, 使用 rust-gdb 查看匯編實(shí)現(xiàn)

Dump of assembler code for function hello_cargo::main: 
   0x000055555555bdb0 <+0>: sub    $0x18,%rsp 
   0x000055555555bdb4 <+4>: movl   $0x11223344,0x14(%rsp) 
=> 0x000055555555bdbc <+12>: mov    $0x4,%esi 
   0x000055555555bdc1 <+17>: mov    %rsi,%rdi 
   0x000055555555bdc4 <+20>: callq  0x55555555b5b0 <alloc::alloc::exchange_malloc> 
   0x000055555555bdc9 <+25>: mov    %rax,%rcx 
   0x000055555555bdcc <+28>: mov    %rcx,%rax 
   0x000055555555bdcf <+31>: movl   $0x11223344,(%rcx) 
   0x000055555555bdd5 <+37>: mov    %rax,0x8(%rsp) 
   0x000055555555bdda <+42>: lea    0x8(%rsp),%rdi 
   0x000055555555bddf <+47>: callq  0x55555555bd20 <core::ptr::drop_in_place<alloc::boxed::Box<i32>>> 
   0x000055555555bde4 <+52>: add    $0x18,%rsp 
   0x000055555555bde8 <+56>: retq 
End of assembler dump. 

關(guān)鍵點(diǎn)就兩條，alloc::alloc::exchange_malloc 在堆上分配內(nèi)存空間，然后將 0x11223344 存儲(chǔ)到這個(gè) malloc 的地址上

函數(shù)結(jié)束時(shí)，將地址傳遞給 core::ptr::drop_in_place 去釋放，因?yàn)榫幾g器知道類型是 alloc::boxed::Box, 會(huì)掉用 Box 相應(yīng)的 drop 函數(shù)

單純的看這個(gè)例子，Box 并不神秘，對(duì)應(yīng)匯編實(shí)現(xiàn)，和普通指針沒區(qū)別，一切約束都是編譯期行為

所有權(quán)

fn main() { 
    let x = Box::new(String::from("Rust")); 
    let y = *x; 
    println!("x is {}", x); 
} 

這個(gè)例子中將字符串裝箱，其實(shí)沒必要這么寫，因?yàn)?String 廣義來講本身就是一種智能指針。這個(gè)例子會(huì)報(bào)錯(cuò)

3 |     let y = *x; 
  |             -- value moved here 
4 |     println!("x is {}", x); 
  |                         ^ value borrowed here after move 

*x 解引用后對(duì)應(yīng) String, 賦值給 y 時(shí)執(zhí)行 move 語義，所有權(quán)不在了，所以后續(xù) println 不能打印 x

let y = &*x; 

可以取字符串的不可變引用來 fix

底層實(shí)現(xiàn)

pub struct Box< 
    T: ?Sized, 
    #[unstable(feature = "allocator_api", issue = "32838")] A: Allocator = Global, 
>(Unique<T>, A); 

上面是 Box 的定義，可以看到是一個(gè)元組結(jié)構(gòu)體，有兩個(gè)泛型參數(shù)：T 代表任意類型，A 代表內(nèi)存分配器。標(biāo)準(zhǔn)庫里 A 是 Gloal 默認(rèn)值。其中 T 有一個(gè)泛型約束 ?Sized, 表示在編譯時(shí)可能知道類型大小，也可能不知道，當(dāng)然一般都用于不知道大小的場(chǎng)景，很少像上文一樣存儲(chǔ) int

#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] 
unsafe impl<#[may_dangle] T: ?Sized, A: Allocator> Drop for Box<T, A> { 
    fn drop(&mut self) { 
        // FIXME: Do nothing, drop is currently performed by compiler. 
    } 
} 

這是 Drop 實(shí)現(xiàn)，源碼里也說了，由編譯器實(shí)現(xiàn)

#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] 
impl<T: ?Sized, A: Allocator> Deref for Box<T, A> { 
    type Target = T; 
 
    fn deref(&self) -> &T { 
        &**self 
    } 
} 
 
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")] 
impl<T: ?Sized, A: Allocator> DerefMut for Box<T, A> { 
    fn deref_mut(&mut self) -> &mut T { 
        &mut **self 
    } 
} 

實(shí)現(xiàn)了 Deref 可以定義解引用行為，DerefMut 可變解引用。所以 *x 對(duì)應(yīng)著操作 *(x.deref())

適用場(chǎng)景

官網(wǎng)提到以下三個(gè)場(chǎng)景，本質(zhì)上 Box 和普通指針區(qū)別不大，所以用處不如 Rc, Arc, RefCell 廣

• 當(dāng)類型在編譯期不知道大小，但代碼場(chǎng)景還要求確認(rèn)類型大小的時(shí)候
• 當(dāng)你有大量數(shù)據(jù)，需要移動(dòng)所有權(quán)，而不想 copy 數(shù)據(jù)的時(shí)候
• trait 對(duì)象，或者稱為 dyn 動(dòng)態(tài)分發(fā)常用在一個(gè)集合中存儲(chǔ)不同的類型上，或者參數(shù)指定不同的類型

官網(wǎng)有一個(gè)鏈表的實(shí)現(xiàn)

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

上面代碼是無法運(yùn)行的，道理也很簡(jiǎn)單，這是一種遞歸定義。對(duì)應(yīng) c 代碼也是不行的，我們一般要給 next 類型定義成指針才行

enum List { 
    Cons(i32, Box<List>), 
    Nil, 
} 
 
use crate::List::{Cons, Nil}; 
 
fn main() { 
    let list = Cons(1, Box::new(Cons(2, Box::new(Cons(3, Box::new(Nil)))))); 
} 

官網(wǎng)給的解決方案，就是將 next 變成了指針 Box , 算是常識(shí)吧，沒什么好說的