Box<T>：堆内存分配的基石

Box：堆内存分配的基石

在 Rust 的内存管理体系中，Box<T> 是最简单也最核心的智能指针。它不具备 Rc 的引用计数，也没有 RefCell 的运行时借用检查，它的唯一职责就是：将数据从栈（Stack）移动到堆（Heap）。

1. 为什么需要 Box？

在 Rust 中，大多数数据默认分配在栈上。栈内存分配效率极高，但有两个致命限制：

1. 大小必须固定：编译器必须在编译阶段精确知道类型的大小。
2. 所有权生命周期：栈上的数据随着函数调用的结束而销毁。

Box<T> 解决了这些问题，它允许你在堆上存储数据，而仅在栈上保留一个指向该数据的指针（即 Box 结构体本身）。

2. 内存布局剖析

当我们执行 let b = Box::new(5); 时，内存中发生了什么？

• 栈上（Stack）：Box 本身是一个指针，大小为 usize（64位系统下为 8 字节）。

• 栈上（Stack）：Box 本身是一个指针，大小为 usize（64位系统下为 8 字节）。

• 堆上（Heap）：存储着实际的数据 T。

• 所有权：当 Box 离开作用域时，它的 Drop 实现会自动释放堆内存。

3. 核心应用场景

3.1 打破递归类型的无限大小

Rust 必须在编译时知道类型的大小。考虑一个简单的链表：

// ❌ 编译错误：recursive type `List` has infinite size
enum List {
    Cons(i32, List),
    Nil,
}

解决方案：使用 Box 指针

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

use List::{Cons, Nil};

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

通过引入 Box，Cons 变体的大小变成了 i32 + usize。无论链表多长，每个节点的大小都是固定的。

3.2 转移大数据的所有权

如果你有一个巨大的数组（例如 [u8; 1024 * 1024]），在函数间传递它会触发昂贵的栈拷贝。使用 Box 后，数据被存储在堆上，而在栈上流转的只有 8 字节（64位系统）的指针，这使得所有权转移极其高效。

fn main() {
    // 1. 在堆上分配 1MB 的数组
    let b1 = Box::new([0u8; 1024 * 1024]);
    
    // 2. 转移所有权给 b2
    // 仅拷贝了指针（8 字节），堆上的 1MB 数据保持原位不动
    let b2 = b1; 
    
    // println!("{:?}", b1); // 编译错误：b1 的所有权已转移，其指针已失效
}

3.3 Trait 对象与动态分发

由于不同类型的大小在编译时各异，编译器无法直接在栈上分配 dyn Trait 这种 DST（动态大小类型）。Box<dyn Trait> 通过在堆上存储数据，并在栈上提供一个 胖指针 (Fat Pointer) 解决了这一问题。

该胖指针占用两个 usize：一个指向堆上的 具体数据，另一个指向 虚函数表 (vtable)。

trait Drawable { fn draw(&self); }

struct Circle { radius: f64 }
impl Drawable for Circle { 
    fn draw(&self) { println!("Drawing Circle"); } 
}

struct Square { side: f64 }
impl Drawable for Square { 
    fn draw(&self) { println!("Drawing Square"); } 
}

fn main() {
    // 1. 单个 Trait 对象：Box 内部存储了指向 Circle 的数据指针和 Drawable 的 vtable
    let shape: Box<dyn Drawable> = Box::new(Circle { radius: 5.0 });
    shape.draw();

    // 2. 类型擦除：将不同具体类型封装进 Box，统一存入 Vec
    let shapes: Vec<Box<dyn Drawable>> = vec![
        Box::new(Circle { radius: 2.0 }),
        Box::new(Square { side: 3.0 }),
    ];
}

4. 避坑指南：Deref 强制转换

Box<T> 实现了 Deref 特型，这意味着你可以直接在 Box 上调用 T 的方法。但在处理 Trait 对象时，注意所有权的转移。

5. 最佳实践

优先使用栈。只有在需要“递归类型”、“避免大数据拷贝”或“Trait 对象动态分发”时，才使用 Box。