`Box<T>`

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前提知識

Box<T> は Rust でもっともシンプルな所有ヒープポインタだ。型 T の単一の値をヒープ上にアロケートし、Box がスコープを抜けると自動的にそのアロケーションを解放する。

Box::new によるアロケーション

let b = Box::new(42_i32);
println!("{}", *b); // 参照解除して読み出し：42 を表示

Box::new(value) は value をヒープへムーブし、所有する Box<T> を返す。Box 自体は小さい — ポインタ1つ分 — であり、宣言した場所（スタック、構造体フィールド、別の Box）に存在する。

Box を通じて読み出すには * で参照解除する。多くのコンテキストでは Rust が Deref トレイトを通じて自動的に参照解除するため、* を書かずに Box<String> を String が期待される場所でそのまま使える。

所有権と Drop

Box<T> は Drop を実装している。Box がスコープを抜けると、次の順序で2つのことが起きる：

  1. 内包する T がドロップされる（自身のクリーンアップが先に実行される）。
  2. ヒープアロケーションが解放される。
{
    let b = Box::new(String::from("hello"));
    println!("{b}");
} // String がドロップされ、その後ヒープアロケーションが解放される

Box はその内容を所有する。Box をムーブするとヒープアロケーションの所有権もムーブされる。Box をドロップすると解放される — 手動で free を呼ぶ必要はない。

再帰的な型を表現可能にする

Box が必要になる主なケースは再帰的帰納型（recursive inductive type）だ。裸の再帰 enum はサイズが無限大になる：

// error: recursive type `List` has infinite size
enum List {
    Nil,
    Cons(i32, List),
}

Box<T> のサイズは固定で既知 — ポインタ1つ分だ。再帰するフィールドを Box で包むと、コンパイラは具体的なサイズを得られる：

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

let list = List::Cons(1, Box::new(List::Cons(2, Box::new(List::Nil))));

リストはメモリが許す限り長くできる。チェーン内の各 Box は常にポインタ1つ分のスペースしか占めない。

Box<dyn Trait> — ランタイム多相

Box はトレイトオブジェクト（trait object）を保持できる：コンパイル時に具体的な型が消去されるが、あるトレイトを実装することが保証された値だ：

trait Animal {
    fn sound(&self) -> &str;
}

struct Dog;
impl Animal for Dog {
    fn sound(&self) -> &str { "woof" }
}

let a: Box<dyn Animal> = Box::new(Dog);
println!("{}", a.sound()); // "woof"

Box<dyn Trait> は具体的な値をヒープ上に格納し、そのメソッドテーブルへのポインタとともに保持する。これが、具体的な型を静的に知ることができない場合に Rust がランタイム多相を実現する方法だ。トレイトオブジェクトの詳細な仕組みは後で扱う。ここでの要点は、Box がヒープアロケートされた型消去済み値の自然なコンテナであることだ。

まとめ

  • Box::new(x) は x をヒープへムーブし、所有ポインタを返す。
  • Box がドロップされると、ヒープアロケーションが自動的に解放される。
  • Box<T> は再帰的帰納型に必須のソリューションだ。
  • Box<dyn Trait> はランタイム多相を可能にする。