在递归数据结构中使用常规引用而不是“Box”

Question

我是 Rust 的新手。当我阅读The Rust Programming Language 的第 15 章时，我不明白为什么应该Box在递归数据结构中使用es 而不是常规引用。这本书的 15.1 解释了需要间接来避免无限大小的结构，但没有解释为什么要使用Box.

#[derive(Debug)]
enum FunctionalList<'a> {
    Cons(u32, &'a FunctionalList<'a>),
    Nil,
}

use FunctionalList::{Cons, Nil};

fn main() {
    let list = Cons(1, &Cons(2, &Cons(3, &Nil)));

    println!("{:?}", list);
}

上面的代码编译并生成所需的输出。似乎使用FunctionalList在堆栈上存储少量数据效果很好。这段代码会引起麻烦吗？

Answer 1

FunctionalList在这个简单的例子中确实有效。然而，如果我们尝试以其他方式使用这个结构，我们会遇到一些困难。例如，假设我们尝试构造 aFunctionalList然后从函数返回它：

#[derive(Debug)]
enum FunctionalList<'a> {
    Cons(u32, &'a FunctionalList<'a>),
    Nil,
}

use FunctionalList::{Cons, Nil};

fn make_list(x: u32) -> FunctionalList {
    return Cons(x, &Cons(x + 1, &Cons(x + 2, &Nil)));
}

fn main() {
    let list = make_list(1);

    println!("{:?}", list);
}

这会导致以下编译错误：

error[E0106]: missing lifetime specifier
 --> src/main.rs:9:25
  |
9 | fn make_list(x: u32) -> FunctionalList {
  |                         ^^^^^^^^^^^^^^ help: consider giving it an explicit bounded or 'static lifetime: `FunctionalList + 'static`

如果我们按照提示添加'static生命周期，则会收到此错误：

error[E0515]: cannot return value referencing temporary value
  --> src/main.rs:10:12
   |
10 |     return Cons(x, &Cons(x + 1, &Cons(x + 2, &Nil)));
   |            ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^-----------------^^
   |            |                     |
   |            |                     temporary value created here
   |            returns a value referencing data owned by the current function

问题在于，FunctionalList这里的内部值由隐式临时变量拥有，其作用域在函数末尾结束make_list。因此，这些值将在函数末尾被删除，留下对它们的悬空引用，这是 Rust 不允许的，因此借用检查器拒绝此代码。

相反，如果FunctionalList已定义到Box其FunctionalList组件，则所有权将从临时值转移到包含的值中FunctionalList，并且我们将能够毫无问题地返回它。

对于您的原始版本FunctionalList，我们必须考虑的是 Rust 中的每个值都必须在某个地方有一个所有者；因此，如果在本例中，FunctionaList不是其内部 s 的所有者FunctionalList，那么该所有权必须位于其他地方。在您的示例中，该所有者是一个隐式临时变量，但在更复杂的情况下，我们可以使用不同类型的外部所有者。这是一个使用TypedArena（来自typed-arena板条箱）来拥有数据的示例，以便我们仍然可以实现该make_list函数的变体：

use typed_arena::Arena;

#[derive(Debug)]
enum FunctionalList<'a> {
    Cons(u32, &'a FunctionalList<'a>),
    Nil,
}

use FunctionalList::{Cons, Nil};

fn make_list<'a>(x: u32, arena: &'a Arena<FunctionalList<'a>>) -> &mut FunctionalList<'a> {
    let l0 = arena.alloc(Nil);
    let l1 = arena.alloc(Cons(x + 2, l0));
    let l2 = arena.alloc(Cons(x + 1, l1));
    let l3 = arena.alloc(Cons(x, l2));
    return l3;
}

fn main() {
    let arena = Arena::new();
    let list = make_list(1, &arena);

    println!("{:?}", list);
}

在本例中，我们调整了 的返回类型，make_list仅返回对 a 的可变引用FunctionalList，而不是返回拥有的FunctionalList，因为现在所有权位于 中arena。