Rust Box::leak 解析：获取静态生命周期引用的“合法”内存泄漏

在 Rust 的内存模型中，RAII 原则保证了值在离开作用域时会被自动丢弃，这种机制消除了绝大多数的内存泄漏场景。但在某些特定的系统编程场景中，我们需要故意延长数据的生命周期，使其存活在整个程序的运行过程中。

Box::leak API 就能允许我们将一个堆上分配的值的所有权“泄漏”出去，从而获得一个 'static 生命周期的引用。

Box::leak 的作用

Box::leak 会消费掉 Box 的所有权容器，阻止其析构函数（Drop释放资源）的运行，并返回指向堆内存的裸引用。

函数签名

pub fn leak<'a>(b: Box<T, A>) -> &'a mut T
where
    A: Allocator,

签名中的 'a 在大多数场景中会被推导为 'static。

内存行为分析

Box::leak 所做的工作就是让一个拥有堆内存所有权的 Box<T> 在栈上被清除，但是指向的堆内存被保留，并返回指向这块内存的可变引用 &'static mut T。

注意⚠️：Box::leak 操作是safe的。在 Rust 中，内存泄漏不属于内存安全问题，因为它不会导致段错误和数据竞争。

基础用法

运行时生成静态数据

在 Rust 中，static 变量通常要求在编译时确定大小和内容。如果需要在运行时计算数据，那么就可以使用 Box::leak 将其提升为全局可用的静态引用。

将运行时 String 转为 'static str

第三方 API 的函数签名要求传入 &'static str，但如果我们只有 String 类型，无法直接传入。

use std::thread;

fn main() {
    let config_val = String::from("runtime_config_123");

    let static_str: &'static str = Box::leak(config_val.into_boxed_str());

    thread::spawn(move || {
        println!("在线程中使用静态引用: {}", static_str);
    }).join().unwrap();
}

• config_val 是运行时生成的字符串。
• static_str: 通过 Box::leak 生成 'static str 类型。类型转换的过程是：String -> Box<str> -> &'static str。
• thread::spawn(...): 将 static_str 传入要求 'static 生命周期的线程闭包中。

全局单例初始化

我们之前也使用过 OnceLock 来管理全局单例，而 Box::leak 就是构建这些高级抽象的底层原语之一。

struct Config {
    port: u16,
    db_url: String,
}

static mut GLOBAL_CONFIG: Option<&'static Config> = None;

fn init_global_config(port: u16, url: String) {
    let config = Config {
        port,
        db_url: url,
    };

    let boxed_config = Box::new(config);
    let static_ref = Box::leak(boxed_config);

    unsafe {
        GLOBAL_CONFIG = Some(static_ref);
    }
}

• GLOBAL_CONFIG: 声明一个静态引用，初始为空。
• 这里需要 unsafe 块来写入全局变量，因为涉及到修改 static mut。

进阶用法

FFI：移交所有权给 C 代码

在与 C ABI 交互时，Rust 必须放弃对内存的管理权，将指针传递给 C 代码。如果 Rust 的 Box 在作用域结束时就调用 Drop，那么 C 端持有的指针就会变成悬垂指针。所以此时必须阻止 Rust 层执行析构函数。

Box::leak（配合 Box::into_raw）是处理此类问题的标准手段。

use std::ffi::c_void;

extern "C" {
    fn register_callback(ctx: *mut c_void);
}

struct Context {
    id: i32,
}

fn register() {
    let ctx = Box::new(Context { id: 101 });
    let context_ref: &'static mut Context = Box::leak(ctx);

    unsafe {
        register_callback(context_ref as *mut Context as *mut _);
    }
}

• register_callback: 这是 C 函数。
• context_ref: Rust 不再管理这块内存，交由 C 代码显式回收。

回收泄漏的内存

通过 Box::leak 泄漏的内存可以再次被 Rust RAII 机制管理，这需要通过 Box::from_raw API 来重建 Box，从而恢复 RAII 机制，让内存在 Box 离开作用域时被释放。

fn main() {
    let x = Box::new(42);
    let static_ref: &'static mut i32 = Box::leak(x);

    *static_ref += 1;
    println!("Val: {}", static_ref); // 43

    unsafe {
        let _boxed_again = Box::from_raw(static_ref);
    }
    // 此时 _boxed_again 离开作用域，内存被释放。
}

• Box::from_raw 是 unsafe 操作，必须确保没有其他地方正在引用这块内存。
• Box::from_raw(static_ref): 将裸指针重新包装为 Box，这样当 _boxed_again 离开作用域时，内存就会被释放。

总结

Box::leak 是 Rust 所有权系统中的一个特例工具。它会消耗栈上的 Box，但会保留堆内存并返回 &'static mut T。它不会导致内存安全问题，只是会增加内存资源占用。适用于需要 'static 生命周期的运行时数据的场景中，比如构建全局单例或配置对象，以及在 FFI 边界进行所有权移交。

在系统编程和社区讨论中常会遇到此类精细控制内存生命周期的需求，深入理解 Box::leak 这类底层原语，有助于我们更好地驾驭 Rust 的强大能力。