智能指针 Box、Rc 与 RefCell - Rust 教程

讲解

智能指针是「行为像指针、但带额外能力」的结构体。普通引用 &T 只是借用，智能指针通常拥有数据。标准库里三个最常用：Box、Rc、RefCell，分别解决三个不同的问题。

Box 最简单：把数据放到堆上，指针本身在栈上，唯一所有权。两个典型用途：一是递归类型（链表、树）——编译器需要知道类型大小，而递归嵌套大小无限，Box 的固定大小指针打破循环（enum List { Cons(i32, Box), Nil }）；二是大数据想避免栈上拷贝时。解引用用 *，和普通引用体验一致（Deref trait 的功劳）。

Rc（reference counted）提供同一数据多个所有者：Rc::clone 增加引用计数（注意是克隆计数不是克隆数据），计数归零才释放。只适合单线程（多线程用 Arc，第 24 章）。RefCell 则把借用规则从编译期挪到运行期检查：borrow()/borrow_mut() 拿到引用，规则违反时不是编译报错而是运行时 panic——这叫内部可变性（interior mutability），用于编译器分析不出、但你确知安全的场景。Rc<RefCell> 的组合=「多个所有者 + 可修改」，是图结构、回调共享状态的经典配方，代价是规则靠运行期兜底，写的时候要自己守住纪律。

示例

Box：堆分配与递归类型：

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

fn sum(list: &List) -> i32 {
    match list {
        List::Cons(value, next) => value + sum(next),
        List::Nil => 0,
    }
}

fn main() {
    let b = Box::new(5);
    assert_eq!(*b, 5); // 解引用和普通引用一样

    // 没有 Box，这个递归类型大小无限，编译不过
    let list = List::Cons(1, Box::new(List::Cons(2, Box::new(List::Nil))));
    assert_eq!(sum(&list), 3);
    println!("链表求和：{}", sum(&list));
}

Rc 共享所有权 + RefCell 内部可变性：

use std::cell::RefCell;
use std::rc::Rc;

fn main() {
    // Rc：多个所有者共享一份数据
    let data = Rc::new(String::from("共享配置"));
    let reader1 = Rc::clone(&data);
    let reader2 = Rc::clone(&data);
    assert_eq!(Rc::strong_count(&data), 3);
    println!("{reader1} / {reader2}");

    // RefCell：运行期借用检查，编译期看不出的可变
    let log: RefCell<Vec<String>> = RefCell::new(Vec::new());
    log.borrow_mut().push(String::from("启动"));
    {
        let mut guard = log.borrow_mut();
        guard.push(String::from("就绪"));
    } // guard 在这里归还借用
    assert_eq!(log.borrow().len(), 2);
    println!("日志条数：{}", log.borrow().len());
}

常见坑

Rc 造成循环引用：A 持有 Rc、B 持有 Rc，计数永远到不了零——内存泄漏（是泄漏不是崩溃）。用 Weak 降级其中一个方向。
RefCell 重复可变借用：同一时刻两次 borrow_mut()（或 borrow 与 borrow_mut 重叠）直接 panic；借用守卫用完尽快离开作用域。
把 Rc/RefCell 带进线程：两者都不是线程安全的，跨线程用编译报错——多线程版是 Arc 与 Mutex（下一章）。
拿 Box 当共享指针用：Box 是唯一所有权；想共享用 Rc。三个指针各司其职，别混。

小结

Box 堆分配破递归；Rc 单线程共享所有权；RefCell 运行期借用检查；Rc<RefCell> 共享且可改。下一章把借用规则的价值推到顶点：并发。