9.1 Box<T>：堆分配

在 Rust 中，大多数值默认分配在栈上，具有确定的大小和生命周期。然而，某些场景需要将数据存储在堆（heap）上，例如：

• 数据大小在编译时未知（如递归数据结构）；
• 需要将大对象的所有权转移而不复制；
• 实现 trait 对象（如 Box<dyn Trait>）。

Box<T> 是 Rust 提供的最基础的智能指针类型，用于在堆上分配值，并在离开作用域时自动释放内存。

基本用法

创建一个 Box 很简单：

let x = 5;
let boxed_x = Box::new(x);
println!("boxed_x = {}", boxed_x); // 输出: 5

这里，整数 5 被分配在堆上，boxed_x 是一个指向该堆内存的指针。尽管如此，你可以像使用普通值一样使用 boxed_x，因为 Box<T> 实现了 Deref trait，支持自动解引用。

用于递归类型

Rust 要求所有类型在编译时具有已知大小。对于递归结构（如链表、树），直接定义会导致无限大小：

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

通过将递归部分放入 Box，可以打破无限嵌套，因为 Box 本身大小固定（指针大小）：

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

let list = List::Cons(1, Box::new(List::Cons(2, Box::new(List::Nil))));

现在，List 的大小是固定的：一个枚举标签加上一个指针。

与 Deref 的集成

Box<T> 实现了 Deref<Target = T>，因此在需要 &T 的上下文中，&Box<T> 会自动转换为 &T：

fn print_value(value: &i32) {
    println!("{}", value);
}

let b = Box::new(42);
print_value(&b); // 自动解引用，无需写 *b

同样，Box<T> 也实现了 Drop，当离开作用域时，会自动释放堆内存，无需手动管理。

其他用途

• 抽象所有权：函数返回 Box<dyn Trait> 可隐藏具体类型；
• 减少栈占用：将大结构体放入 Box 可避免栈溢出；
• 互操作性：与 C 接口交互时，有时需显式堆分配。

性能考量

Box<T> 的开销极小：

• 分配/释放涉及一次堆操作；
• 访问数据需一次指针间接寻址；
• 无运行时借用检查或引用计数。

因此，它常被用作“零成本”堆分配工具。

小结

Box<T> 是 Rust 中最简单的智能指针，主要用于将数据移至堆上，解决类型大小未知或所有权转移问题。它无缝集成于 Rust 的所有权系统，自动管理内存，且性能开销可控。虽然功能单一，但它是构建更复杂数据结构（如链表、树）和实现动态分发的基础组件。理解 Box 的作用，是掌握 Rust 内存管理的第一步。