从 0 掌握 Rust Box 智能指针

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1.什么是 Box？

• Box 是“在堆上分配内存”的智能指针：值在堆上，栈上保存固定大小的指针。
• 典型使用场景：
  • 递归类型（编译期大小无法确定）
  • 动态分发的 trait 对象（Box）
  • 将大对象放到堆上，降低移动时的栈拷贝成本
• 内存与语义：
  • 实现 Drop：离开作用域自动释放堆内存
  • 实现 Deref：可像引用一样解引用访问内部值

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2.基础用法：Box::new 与解引用

示例 1：在堆上分配并使用

fn main() {
    // 在堆上分配一个 i32 值 5
    let b = Box::new(5);

    // 自动解引用（Deref），像引用一样使用
    println!("b = {}", b);

    // 作用域结束时，Box 释放其堆上内存
}

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3.递归类型：用 Box 打破无限大小

示例 2：链表（Cons List）

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

use List::{Cons, Nil};

fn main() {
    // 构建: 1 -> 2 -> 3 -> Nil
    let list = Cons(1, Box::new(Cons(2, Box::new(Cons(3, Box::new(Nil))))));
    // 递归位置使用 Box<List>（固定大小的指针），编译器可计算枚举大小
}

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4.Trait 对象：Box 动态分发

示例 3：GUI 组件的 draw 行为

trait Draw {
    fn draw(&self);
}

struct Button { label: String }
struct SelectBox { options: Vec<String> }

impl Draw for Button {
    fn draw(&self) {
        println!("绘制按钮: {}", self.label);
    }
}
impl Draw for SelectBox {
    fn draw(&self) {
        println!("绘制选择框: {:?}", self.options);
    }
}

fn main() {
    // 不同具体类型，统一以 Box<dyn Draw> 保存
    let components: Vec<Box<dyn Draw>> = vec![
        Box::new(Button { label: "登录".into() }),
        Box::new(SelectBox { options: vec!["是".into(), "否".into()] }),
    ];

    for c in components {
        c.draw(); // 动态分发
    }
}

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5.向下转型：Box::downcast

• 适用于“装箱任意类型，再尝试恢复为具体类型”的场景。
• 成功：Ok(Box)；失败：Err(Box)。

示例 4：判定是否为 String

use std::any::Any;

fn print_if_string(value: Box<dyn Any>) {
    if let Ok(string) = value.downcast::<String>() {
        println!("是字符串: {}", string);
    } else {
        println!("不是字符串");
    }
}

fn main() {
    print_if_string(Box::new("Hello Rust".to_string()));
    print_if_string(Box::new(42i32));
}

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6.与 Pin 结合：Box::pin

• 构造 Pin<Box>；若 T: !Unpin，则值的内存位置被固定，不能再移动。

示例 5：固定一个不应被移动的类型

use std::pin::Pin;

struct NotUnpin {
    data: String,
}

fn main() {
    let pinned: Pin<Box<NotUnpin>> = Box::pin(NotUnpin { data: "fixed".into() });
    // 若 NotUnpin 不实现 Unpin，则 pinned 中的数据位置保持不变
}

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7.延迟初始化：Box::::new_uninit

• new_uninit 构造未初始化的 Box，需写入后再 assume_init 得到 Box。
• 必须确保确实完成了正确初始化，否则为未定义行为（unsafe）。

示例 6：延迟初始化

fn main() {
    let mut boxed = Box::<u32>::new_uninit();
    // 延迟初始化
    boxed.write(5);
    let boxed: Box<u32> = unsafe { boxed.assume_init() };
    assert_eq!(*boxed, 5);
}

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8.所有权、移动与克隆

• 所有权：Box 遵循所有权语义，move 后旧变量不可再用。
• 可变性：修改内部值需要可变借用（let mut 或 &mut）。
• 克隆：Box 的 Clone 会分配新内存并克隆内部值（T: Clone），相当于“深拷贝”；若需共享所有权请用 Rc/Arc（不在本节展开）。

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