box 关键字有什么作用？

Question

在 Rust 中，我们可以使用 Box<T> 类型在堆上分配东西。此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。

我很好奇Box<T>分配是如何实现的，所以我找到了its source code。这是Box<T>::new 的代码（从 Rust 1.0 开始）：

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
    }
}

实现中唯一的一行返回值box x。这个box 关键字在官方文档中没有任何解释；事实上，它只是在std::boxed 文档页面上简单提及。

Answer 1

注意：这个回复有点老了。由于它谈到了内部结构和不稳定的特性，所以事情发生了一些变化。虽然基本机制保持不变，所以答案仍然能够解释box 的底层机制。

box x 通常使用什么来分配和释放内存？

答案是标记为exchange_malloc 用于分配和exchange_free 用于释放的函数。您可以在heap.rs#L112 和heap.rs#L125 看到默认标准库中的实现。

最后，box x 语法取决于以下语言项：

• owned_box 在 Box 结构上封装分配的指针。该结构不需要Drop 实现，它由编译器自动实现。
• exchange_malloc 分配内存。
• exchange_free 释放之前分配的内存。

这可以在不稳定锈书的lang items 章节中使用no_std 示例有效地看到：

#![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 {} }

注意Drop 是如何没有为Box 结构实现的？好吧，让我们看看为main 生成的 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
}

allocate (_ZN8allocate20hf9df30890c435d76naaE) 被调用以构建Box，同时...看！ Box (_ZN14Box$LT$i32$GT$9drop.103617h8817b938807fc41eE) 的 Drop 方法！让我们看看这个方法的 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
}

就是这样，deallocate (ZN10deallocate20he2bff5e01707ad50VaaE) 在编译器生成的 Drop 上被调用！

请注意，即使在 standard library 上，Drop 特征也不是由用户代码实现的。确实Box 有点神奇。

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，它始终旨在能够分配任意类型，例如Rc，或使用任意分配器。这些都没有最终确定，因此它没有被标记为 1.0 版本的稳定版本。这样做是为了防止支持所有 Rust 1.x 的错误决定。

如需进一步参考，您可以阅读RFC that changed the "placement new" syntax 并对其进行功能控制。

Answer 3

box 与 Box::new() 完全一样 - 它创建了一个拥有的盒子。

我相信您找不到 box 关键字的实现，因为目前它被硬编码以使用拥有的盒子，而 Box 类型是一个语言项目：

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

因为它是一个语言项，编译器有特殊的逻辑来处理它的实例化，它可以与box关键字链接。

我相信编译器将框分配委托给 alloc::heap 模块中的函数。

至于box 关键字的作用和一般应该做什么，Shepmaster 的回答完美地描述了。