[[416792]]

本文轉載自微信公眾號「董澤潤的技術筆記」，作者董澤潤。轉載本文請聯系董澤潤的技術筆記公眾號。

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 底層實現

Box <T>會在堆上分配空間，存儲 T 值，并返回對應的指針。同時 Box 也實現了 trait Deref 解引用和 Drop 析構，當 Box 離開作用域時自動釋放空間

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 同學肯定很熟悉。讓我們掛載 docker, 使用 rust-gdb 查看匯編實現

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. 

關鍵點就兩條，alloc::alloc::exchange_malloc 在堆上分配內存空間，然后將 0x11223344 存儲到這個 malloc 的地址上

函數結束時，將地址傳遞給 core::ptr::drop_in_place 去釋放，因為編譯器知道類型是 alloc::boxed::Box, 會掉用 Box 相應的 drop 函數

單純的看這個例子，Box 并不神秘，對應匯編實現，和普通指針沒區別，一切約束都是編譯期行為

所有權

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

這個例子中將字符串裝箱，其實沒必要這么寫，因為 String 廣義來講本身就是一種智能指針。這個例子會報錯

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

*x 解引用后對應 String, 賦值給 y 時執行 move 語義，所有權不在了，所以后續 println 不能打印 x

let y = &*x; 

可以取字符串的不可變引用來 fix

底層實現

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

上面是 Box 的定義，可以看到是一個元組結構體，有兩個泛型參數：T 代表任意類型，A 代表內存分配器。標準庫里 A 是 Gloal 默認值。其中 T 有一個泛型約束 ?Sized, 表示在編譯時可能知道類型大小，也可能不知道，當然一般都用于不知道大小的場景，很少像上文一樣存儲 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 實現，源碼里也說了，由編譯器實現

#[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 
    } 
} 

實現了 Deref 可以定義解引用行為，DerefMut 可變解引用。所以 *x 對應著操作 *(x.deref())

適用場景

官網提到以下三個場景，本質上 Box 和普通指針區別不大，所以用處不如 Rc, Arc, RefCell 廣

• 當類型在編譯期不知道大小，但代碼場景還要求確認類型大小的時候
• 當你有大量數據，需要移動所有權，而不想 copy 數據的時候
• trait 對象，或者稱為 dyn 動態分發常用在一個集合中存儲不同的類型上，或者參數指定不同的類型

官網有一個鏈表的實現

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

上面代碼是無法運行的，道理也很簡單，這是一種遞歸定義。對應 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)))))); 
} 

官網給的解決方案，就是將 next 變成了指針 Box , 算是常識吧，沒什么好說的