Box<T>

本集目標

學會用 Box<T> 把資料放在 heap 上，理解它在遞迴型別中的必要性。

概念說明

還記得第四章的保險箱比喻嗎？鑰匙圈上掛著鑰匙，鑰匙可以打開保險箱，保險箱裡放著真正的東西。

Box<T> 就是那個保險箱——它把資料放在 heap 上，然後在 stack 上留一把鑰匙（指標）。

為什麼需要 Box？

大部分時候，Rust 把資料直接放在 stack 上就好了。但有兩種情況需要 Box：

1. 資料太大

如果一個 struct 有很多欄位、佔很多空間，放在 stack 上可能不太好（stack 空間有限）。用 Box 把它移到 heap 上，stack 上只留一個指標。

2. 遞迴型別

這是更重要的原因。假設你想定義一個連結串列（linked list）：

enum List {
    Node(i32, List), // 編譯錯誤！
    Empty,
}

fn main() {}

Rust 需要在編譯時知道每個型別的大小。但這裡有個問題：要知道 List 的大小，你需要知道 Node 有多大。Node 包含一個 i32 和一個 List——所以你需要知道 List 有多大。但 List 裡面又有 List⋯⋯

展開來看：List 的大小 = i32 + List 的大小 = i32 + i32 + List 的大小 = ⋯⋯ 永遠算不完。編譯器在這裡直接報錯：「recursive type has infinite size（遞迴型別大小無限大）」。

解法就是用 Box：

enum List {
    Node(i32, Box<List>),
    Empty,
}

fn main() {}

Box<List> 的大小是固定的（就是一個指標的大小），問題就解決了。

Box 的使用

fn main() {
    let x = Box::new(42);
    println!("{}", x); // 可以直接用，Rust 會自動拿裡面的值
}

Box::new(value) 把值搬到 heap 上。Box 擁有裡面的值，離開作用域時會自動釋放（因為 Box 實作了 Drop）。

範例程式碼

// 用 Box 的遞迴型別：連結串列
enum List {
    Node(i32, Box<List>),
    Empty,
}

// 印出串列
fn print_list(list: &List) {
    match list {
        List::Node(value, next) => {
            print!("{} -> ", value);
            print_list(next);
        }
        List::Empty => {
            println!("end");
        }
    }
}

fn main() {
    // 基本的 Box 使用
    let x = Box::new(42);
    println!("Box 裡的值：{}", x);

    // 一步一步建立連結串列：3 -> 2 -> 1 -> end
    // 從最後面開始建立
    let list = List::Empty;                   // end
    let list = List::Node(1, Box::new(list)); // 1 -> end
    let list = List::Node(2, Box::new(list)); // 2 -> 1 -> end
    let list = List::Node(3, Box::new(list)); // 3 -> 2 -> 1 -> end

    print_list(&list);

    // Box 是唯一擁有者——鑰匙不是 Copy，所以 let b = a 是 move
    let a = Box::new(String::from("hello"));
    let b = a; // 鑰匙從 a 交給 b，a 就空了
    // println!("{}", a); // 編譯錯誤！a 已經被 move 了
    println!("{}", b);
}

重點整理

• Box<T> 把資料放在 heap 上，stack 上只留一個指標（保險箱比喻的「鑰匙」）
• 最重要的用途：遞迴型別（如連結串列）需要 Box 來打破無限大小的問題
• Box::new(value) 建立 Box，離開作用域時自動釋放
• Box 是唯一擁有者，move 語義和其他非 Copy 的型別一樣