Modul 11 — Smart Pointer & der Heap

Bisher lebten deine Werte auf dem Stack — mit bekannter, fester Größe. Box verschiebt den Inhalt auf den Heap; auf dem Stack bleibt nur ein dünner Zeiger, der den Wert besitzt:

fn main() {
    let gross = Box::new([0u8; 4096]);

    println!("erstes Byte: {}", gross[0]);
    println!("Länge: {}", gross.len());
}

Dank Deref verhält sich der Box-Zeiger wie der Wert selbst: Index-Zugriff, Methoden, Dereferenzierung mit * — alles funktioniert direkt. Beim Drop wird der Heap-Speicher freigegeben. Ein Besitzer, eine Freigabe — dein Ownership-Modell, nur mit Umleitung über den Heap.

let data = [0u8; 4096];

Zwei klassische Einsatzfälle:

• Rekursive Typen — eine verkettete Liste enthält sich selbst; ohne Box kennt der Compiler die Größe nicht (E0072). Der Box-Zeiger hat feste Größe und bricht den Kreis. Die Übung baut genau das.
• Einheitliche Fehler — ein Tool, das Datei- UND Parse-Fehler wirft:

use std::error::Error;

fn alter_von(zeile: &str) -> Result<u32, Box<dyn Error>> {
    let (_, wert) = zeile
        .split_once('=')
        .ok_or("Zeile ohne Gleichheitszeichen")?;
    Ok(wert.trim().parse::<u32>()?)
}

fn main() {
    println!("{:?}", alter_von("alter=30"));
}

Box<dyn Error> ist der pragmatische Fehlertyp für Programme: jede konkrete Fehlerart passt hinein, ? konvertiert automatisch.

Übung: die rekursive Liste

Box hat genau einen Besitzer. Manchmal brauchen denselben Wert aber mehrere: eine Konfiguration, die zwei Module lesen; ein Knoten, auf den mehrere Datenstrukturen zeigen. Rc (Reference Counted) erlaubt mehrere Besitzer — zur Laufzeit gezählt:

use std::rc::Rc;

fn main() {
    let konfig = Rc::new(vec![10, 20, 30]);

    let kopie_a = Rc::clone(&konfig);
    let kopie_b = Rc::clone(&konfig);

    println!("a-Summe: {}", kopie_a.iter().sum::<u32>());
    println!("Besitzer: {}", Rc::strong_count(&konfig));
}

Rc::clone kopiert NICHTS — es erhöht nur den Zähler. Alle drei Bindungen zeigen auf denselben Heap-Wert; fällt der letzte Besitzer weg, wird er freigegeben. strong_count sagt dir, wie viele es gerade sind.

Der Preis: Rc-Inhalte sind nur lesbar. Mit mehreren Besitzern könnte eine Änderung über einen Zeiger invalidieren, was ein anderer gerade liest — genau das verbietet Rusts Aliasing-Regel. Für Mutation braucht es den nächsten Baustein.

Und Rc bleibt zuhause: sein Zähler ist nicht atomar, also ist Rc ausdrücklich nicht thread-safe. Für Threads gibt es Arc — dasselbe Muster mit atomarem Zähler (Modul 12).

Übung: geteilter Besitz

Die Borrow-Regeln gelten zur Compile-Zeit — meistens gut, manchmal zu streng: Ein Logger wird von vielen Stellen geteilt und darf trotzdem wachsen. RefCell verlagert die Prüfung in die Laufzeit:

use std::cell::RefCell;

fn main() {
    let log = RefCell::new(Vec::new());

    log.borrow_mut().push(String::from("start"));

    {
        let lesend = log.borrow();
        println!("Einträge: {}", lesend.len());
    }

    log.borrow_mut().push(String::from("ende"));
    println!("{:?}", log.borrow());
}

borrow() leiht lesend (beliebig oft), borrow_mut() exklusiv. Die Regel bleibt dieselbe — Shared XOR Exclusive — nur dass RefCell sie zählt: ein Konflikt paniziert sofort, mit präziser Meldung. Der innere Block gibt den lesenden Borrow zurück, bevor borrow_mut() kommt.

Die Kombo aus beiden Welten ist der Klassiker: Rc + RefCell — Rc teilt den Besitz, RefCell erlaubt die Änderung durch den gemeinsamen Handle. Geteilter, veränderlicher Zustand ohne unsafe.

Übung: der Runtime-Borrow

Das Szenario vorweg — dann baust du die Lösung:

Modul-Checkpoint