“box”关键字是什么作用？

Question

在Rust中，我们可以使用Box<T>类型来在堆上分配内存。这种类型用于安全地抽象指向堆内存的指针。Box<T>由Rust标准库提供。

我对Box<T>的分配实现方式很好奇，所以我找到了它的源代码。以下是Box<T>::new的代码（截至Rust 1.0）：

impl<T> Box<T> {
    /// Allocates memory on the heap and then moves `x` into it.
    /// [...]
    #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
    #[inline(always)]
    pub fn new(x: T) -> Box<T> {
        box x
    }
}

实现中唯一的一行代码返回值为 box x。这个 box 关键字在官方文档中没有任何说明；实际上，它只是在 std::boxed 文档页面上简要提到过。

- George Hilliard

Answer 1

注意：此回复有点旧。由于它涉及内部和不稳定的特性，事情已经有了一些变化。但基本机制仍然相同，因此该答案仍能够解释box的底层机制。

box x通常使用标记为exchange_malloc的语言项函数进行分配和标记为exchange_free的函数进行释放。您可以在默认标准库中的heap.rs#L112和heap.rs#L125中看到这些的实现。

最终，box x语法取决于以下语言项：

• 使用owned_box在一个Box结构体中封装分配的指针。这个结构体不需要Drop实现，编译器会自动实现。
• 使用exchange_malloc来分配内存。
• 使用exchange_free来释放之前分配的内存。

在不稳定的Rust书籍的lang items章节中可以通过这个no_std示例有效地看到这一点:

#![feature(lang_items, box_syntax, start, no_std, libc)]
#![no_std]

extern crate libc;

extern {
    fn abort() -> !;
}

#[lang = "owned_box"]
pub struct Box<T>(*mut T);

#[lang = "exchange_malloc"]
unsafe fn allocate(size: usize, _align: usize) -> *mut u8 {
    let p = libc::malloc(size as libc::size_t) as *mut u8;

    // malloc failed
    if p as usize == 0 {
        abort();
    }

    p
}
#[lang = "exchange_free"]
unsafe fn deallocate(ptr: *mut u8, _size: usize, _align: usize) {
    libc::free(ptr as *mut libc::c_void)
}

#[start]
fn main(argc: isize, argv: *const *const u8) -> isize {
    let x = box 1;

    0
}

#[lang = "stack_exhausted"] extern fn stack_exhausted() {}
#[lang = "eh_personality"] extern fn eh_personality() {}
#[lang = "panic_fmt"] fn panic_fmt() -> ! { loop {} }

请注意，Box 结构体没有实现 Drop 方法。那么我们来看一下生成的 main 的 LLVM IR：

define internal i64 @_ZN4main20hbd13b522fdb5b7d4ebaE(i64, i8**) unnamed_addr #1 {
entry-block:
  %argc = alloca i64
  %argv = alloca i8**
  %x = alloca i32*
  store i64 %0, i64* %argc, align 8
  store i8** %1, i8*** %argv, align 8
  %2 = call i8* @_ZN8allocate20hf9df30890c435d76naaE(i64 4, i64 4)
  %3 = bitcast i8* %2 to i32*
  store i32 1, i32* %3, align 4
  store i32* %3, i32** %x, align 8
  call void @"_ZN14Box$LT$i32$GT$9drop.103617h8817b938807fc41eE"(i32** %x)
  ret i64 0
}

预期调用allocate（_ZN8allocate20hf9df30890c435d76naaE）来构建Box，同时...看！Box (_ZN14Box$LT$i32$GT$9drop.103617h8817b938807fc41eE) 的Drop方法！让我们看一下这个方法的IR：

define internal void @"_ZN14Box$LT$i32$GT$9drop.103617h8817b938807fc41eE"(i32**) unnamed_addr #0 {
entry-block:
  %1 = load i32** %0
  %2 = ptrtoint i32* %1 to i64
  %3 = icmp ne i64 %2, 2097865012304223517
  br i1 %3, label %cond, label %next

next:                                             ; preds = %cond, %entry-    block
  ret void

cond:                                             ; preds = %entry-block
  %4 = bitcast i32* %1 to i8*
  call void @_ZN10deallocate20he2bff5e01707ad50VaaE(i8* %4, i64 4, i64 4)
  br label %next
}

这里有一个编译器生成的 Drop，它调用了 deallocate (ZN10deallocate20he2bff5e01707ad50VaaE)。即使在标准库上，Drop 特质也不是由用户代码实现的。事实上，Box 是一个有点神奇的结构体。

- Denilson Amorim

Answer 2

在`box`被标记为不稳定之前，它被用作调用 `Box::new` 的简写。但是，它一直旨在能够分配任意类型，例如 `Rc`，或者使用任意的分配器。由于这些都没有最终确定，因此它在1.0版本中未被标记为稳定。这样做是为了防止支持所有 Rust 1.x 的错误决策。 有关更多信息，请参阅 更改“放置新”语法的RFC，并将其特征门控。

- Shepmaster

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那么目前（在上面的实现中），box x 是放置新语法吗？ - George Hilliard

@thirtythreeforty，是的，这是放置新语法，目前硬编码为仅与“Box”一起使用。 - Vladimir Matveev

因此，Box最终将不再像我创建的任何类型一样被特殊处理，它将简单地使用其他（1.0版本后）语言功能。 - George Hilliard

Answer 3

box 的作用和 Box::new() 相同 - 它创建一个拥有所有权的 box。

我认为你找不到 box 关键字的实现，因为它目前被硬编码为与拥有所有权的 boxes 一起工作，并且 Box 类型是语言项：

#[lang = "owned_box"]
#[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
#[fundamental]
pub struct Box<T>(Unique<T>);

由于它是语言项，编译器有特殊的逻辑来处理其实例化，可以使用 box 关键字连接。

我认为编译器将 box 分配委托给 alloc::heap 模块中的函数。

至于 box 关键字在一般情况下的作用和应该做什么，Shepmaster 的回答描述得非常完美。

- Vladimir Matveev

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box 所做的正是 Box::new() 所做的。这只是在理论上成立，对吧？如果我理解正确，实际上有一个差别，box 可以绕过堆栈分配，但 Box::new 不能。 - bluenote10