在 Rust 中，智能指针是管理内存所有权和生命周期的核心工具。Rust 中提供了多种智能指针，包含：Box、Rc（Reference Counting）、Arc（Atomic Reference Counting），Cell 等。
今天，我们先讲两个——Box 和 Rc。
Box
Box 是指向堆上数据的拥有所有权的指针：
fn main() {
let five = Box::new(5);
println!("five: {}", *five);
}
// Output
// five: 5
如图，它在内存中大概是这样：
Box<T> 实现了 Deref<Target = T>，这意味着你可以直接在 Box<T> 上调用 T 的方法。
递归数据类型或动态大小的数据类型，如果不使用指针间接引用，就无法内联存储。
Box 实现了这种间接引用：
#[derive(Debug)]
enum List<T> {
/// 一个非空列表：第一个元素和列表的其余部分。
Element(T, Box<List<T>>),
/// 一个空列表。
Nil,
}
fn main() {
let list: List<i32> =
List::Element(1, Box::new(List::Element(2, Box::new(List::Nil))));
println!("{list:?}");
}
// Output
// Element(1, Element(2, Nil))
它的内存格式是这样：
Box 类似于 C++ 中的 std::unique_ptr，只不过它保证不为空。
当你遇到以下情况时，Box 会很有用：
- 当你有一个在编译时无法确定大小，但 Rust 编译器又需要确切大小的类型时。
- 当你想要转移大量数据的所有权时。为了避免在栈上复制大量数据，可以将数据存储在堆上的
Box中，这样就只需移动指针。
如果不使用 Box，而是尝试将 List 直接嵌入到 List 中，编译器将无法计算出该结构体在内存中的固定大小（嵌套会导致 List 的大小将是无限的）。
Box 解决了这个问题，因为它的大小与普通指针相同，并且仅指向堆中 List 的下一个元素。
虽然 Box 在形式上与 C++ 中的 std::unique_ptr 类似，但它不能为空。这使得 Box 成为允许编译器对某些枚举类型进行存储优化（即 “小众优化”）的类型之一。
Rc
Rc 是一个引用计数的共享指针。当你需要在多个地方引用相同的数据时，可以使用它：
use std::rc::Rc;
fn main() {
let a = Rc::new(10);
let b = Rc::clone(&a);
dbg!(a);
dbg!(b);
}
// Output
// [src/main.rs:7:5] a = 10
// [src/main.rs:8:5] b = 10
每个 Rc 都指向同一个共享数据结构，该数据结构包含强指针、弱指针以及值：
Rc 的引用计数确保只要存在引用，其包含的值就一直有效。
Rust 中的 Rc 类似于 C++ 中的 std::shared_ptr。
Rc::clone 操作开销较低：它创建一个指向相同内存分配的指针，并增加引用计数。它不会进行深度克隆，在排查代码性能问题时通常可以忽略不计。make_mut 实际上会在必要时克隆内部值（“写入时克隆”）并返回一个可变引用。
使用 Rc::strong_count 检查引用计数。Rc::downgrade 会返回一个弱引用计数对象，用于创建能被正确释放的循环结构。
特征对象的所有权
我们之前了解了如何将特征对象与引用一起使用，例如 &dyn Pet。不过，我们也可以将特征对象与像 Box 这样的智能指针一起使用，来创建一个拥有所有权的特征对象：Box<dyn Pet>。
struct Dog {
name: String,
age: i8,
}
struct Cat {
lives: i8,
}
trait Pet {
fn talk(&self) -> String;
}
impl Pet for Dog {
fn talk(&self) -> String {
format!("Woof, my name is {}!", self.name)
}
}
impl Pet for Cat {
fn talk(&self) -> String {
String::from("Miau!")
}
}
fn main() {
let pets: Vec<Box<dyn Pet>> = vec![
Box::new(Cat { lives: 9 }),
Box::new(Dog { name: String::from("Fido"), age: 5 }),
];
for pet in pets {
println!("Hello, who are you? {}", pet.talk());
}
}
pets 的内存布局如下：
实现给定特征的类型可能具有不同的大小。这使得在上例中无法使用 Vec<dyn Pet> 之类的东西。
dyn Pet 是一种向编译器说明实现 Pet 特征的动态大小类型的方式。
在示例中，pets 在栈上分配，而向量数据在堆上。向量的两个元素是胖指针。
胖指针是一种双宽度指针。它有两个组件：一个指向实际对象的指针，以及一个指向该特定对象的 Pet 实现的虚方法表（vtable）的指针。
我们可以通过如下代码，查看相关对象的大小：
fn main() {
println!("{} {}", std::mem::size_of::<Dog>(), std::mem::size_of::<Cat>());
println!("{} {}", std::mem::size_of::<&Dog>(), std::mem::size_of::<&Cat>());
println!("{}", std::mem::size_of::<&dyn Pet>());
println!("{}", std::mem::size_of::<Box<dyn Pet>>());
}
输出如下：
// Output
32 1
8 8
16
16
