堆、栈与Box

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小牛编辑

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2023-12-01

简介

堆和栈是计算机里面最基本的概念，不过如果一直使用高级语言如 Python/Ruby/PHP/Java 等之类的语言的话，可能对堆和栈并不怎么理解，当然这里的栈(Stack)并不是数据结构里面的概念，而是计算机对内存的一个抽象。相比而言，C/C++/Rust 这些语言就必须对堆和栈的概念非常了解才能写出正确的程序，之所以有这样的区别是因为它们的内存管理方式不同，Python 之类的语言程序运行时会同时会运行垃圾回收器，垃圾回收器与用户程序或并行执行或交错执行，垃圾回收器会自动释放不再使用的内存空间，而 C/C++/Rust 则没有垃圾回收器。

操作系统会将物理内存映射成虚拟地址空间，程序在启动时看到的虚拟地址空间是一块完整连续的内存。

栈内存从高位地址向下增长，且栈内存分配是连续的，一般操作系统对栈内存大小是有限制的，Linux/Unix 类系统上面可以通过 ulimit 设置最大栈空间大小，所以 C 语言中无法创建任意长度的数组。在Rust里，函数调用时会创建一个临时栈空间，调用结束后 Rust 会让这个栈空间里的对象自动进入 Drop 流程，最后栈顶指针自动移动到上一个调用栈顶，无需程序员手动干预，因而栈内存申请和释放是非常高效的。

相对地，堆上内存则是从低位地址向上增长，堆内存通常只受物理内存限制，而且通常是不连续的，一般由程序员手动申请和释放的，如果想申请一块连续内存，则操作系统需要在堆中查找一块未使用的满足大小的连续内存空间，故其效率比栈要低很多，尤其是堆上如果有大量不连续内存时。另外内存使用完也必须由程序员手动释放，不然就会出现内存泄漏，内存泄漏对需要长时间运行的程序(例如守护进程)影响非常大。

Rust 中的堆和栈

由于函数栈在函数执行完后会销毁，所以栈上存储的变量不能在函数之间传递，这也意味着函数没法返回栈上变量的引用，而这通常是 C/C++ 新手常犯的错误。而 Rust 中编译器则会检查出这种错误，错误提示一般为 xxx does not live long enough，看下面一个例子

fn main() {
    let b = foo("world");
    println!("{}", b);
}
fn foo(x: &str) -> &str {
    let a = "Hello, ".to_string() + x;
    &a
}

之所以这样写，很多人觉得可以直接拷贝字符串 a 的引用从而避免拷贝整个字符串，然而得到的结果却是 a does not live long enough 的编译错误。因为引用了一个函数栈中临时创建的变量，函数栈在函数调用结束后会销毁，这样返回的引用就变得毫无意义了，指向了一个并不存在的变量。相对于 C/C++ 而言，使用 Rust 就会幸运很多，因为 C/C++ 中写出上面那样的程序，编译器会默默地让你通过直到运行时才会给你报错。

其实由于 a 本身是 String 类型，是使用堆来存储的，所以可以直接返回，在函数返回时函数栈销毁后依然存在。同时 Rust 中下面的代码实际上也只是浅拷贝。

fn main() {
    let b = foo("world");
    println!("{}", b);
}
fn foo(x: &str) -> String {
    let a = "Hello, ".to_string() + x;
    a
}

Rust 默认使用栈来存储变量，而栈上内存分配是连续的，所以必须在编译之前了解变量占用的内存空间大小，编译器才能合理安排内存布局。

Box

C 里面是通过 malloc/free 手动管理堆上内存空间的，而 Rust 则有多种方式，其中最常用的一种就是 Box,通过 Box::new() 可以在堆上申请一块内存空间，不像 C 里面一样堆上空间需要手动调用 free 释放，Rust 中是在编译期编译器借助 lifetime 对堆内存生命期进行分析，在生命期结束时自动插入 free。当前 Rust 底层即 Box 背后是调用 jemalloc 来做内存管理的，所以堆上空间是不需要程序员手动去管理释放的。很多时候你被编译器虐得死去活来时，那些 borrow, move, lifetime 错误其实就是编译器在教你认识内存布局，教你用 lifetime 规则去控制内存。这套规则说难不难，说简单也不简单，以前用别的语言写程序时对内存不关心的，刚写起来可能真的会被虐得死去活来，但是一旦熟悉这套规则，对内存布局掌握清楚后，借助编译器的提示写起程序来就会如鱼得水，这套规则是理论界研究的成果在Rust编译器上的实践。

大多数带 GC 的面向对象语言里面的对象都是借助 box 来实现的，比如常见的动态语言 Python/Ruby/JavaScript 等，其宣称的”一切皆对象(Everything is an object)”，里面所谓的对象基本上都是 boxed value。

boxed 值相对于 unboxed，内存占用空间会大些，同时访问值的时候也需要先进行 unbox，即对指针进行解引用再获取真正存储的值，所以内存访问开销也会大些。既然 boxed 值既费空间又费时间，为什么还要这么做呢？因为通过 box，所有对象看起来就像是以相同大小存储的，因为只需要存储一个指针就够了，应用程序可以同等看待各种值，而不用去管实际存储是多大的值，如何申请和释放相应资源。

Box 是堆上分配的内存，通过 Box::new() 会创建一个堆空间并返回一个指向堆空间的指针

nightly 版本中引入 box 关键词，可以用来取代 Box::new() 申请一个堆空间，也可以用在模式匹配上面

#![feature(box_syntax, box_patterns)]
fn main() {
   let boxed = Some(box 5);
   match boxed {
       Some(box unboxed) => println!("Some {}", unboxed),
       None => println!("None"),
   }
}

下面看一个例子，对比一下 Vec<i32> 和 Vec<Box<i32>> 内存布局，这两个图来自 Stack Overflow，从这两张内存分布图可以清楚直观地看出 Box 是如何存储的

Vec<i32>
(stack)    (heap)
┌──────┐   ┌───┐
│ vec1 │──→│ 1 │
└──────┘   ├───┤
           │ 2 │
           ├───┤
           │ 3 │
           ├───┤
           │ 4 │
           └───┘

Vec<Box<i32>>
(stack)    (heap)   ┌───┐
┌──────┐   ┌───┐ ┌─→│ 1 │
│ vec2 │──→│   │─┘  └───┘
└──────┘   ├───┤    ┌───┐
           │   │───→│ 2 │
           ├───┤    └───┘
           │   │─┐  ┌───┐
           ├───┤ └─→│ 3 │
           │   │─┐  └───┘
           └───┘ │  ┌───┐
                 └─→│ 4 │
                    └───┘

一些语言里会有看起来既像数组又像列表的数据结构，例如 python 中的 List，其实就是与 Vec<Box<i32>> 类似，只是把 i32 换成任意类型，就操作效率而言比单纯的 List 高效，同时又比数组使用更灵活。

一般而言，在编译期间不能确定大小的数据类型都需要使用堆上内存，因为编译器无法在栈上分配编译期未知大小的内存，所以诸如 String, Vec 这些类型的内存其实是被分配在堆上的。换句话说，我们可以很轻松的将一个 Vec move 出作用域而不必担心消耗，因为数据实际上不会被复制。

另外,需要从函数中返回一个浅拷贝的变量时也需要使用堆内存而不能直接返回一个指向函数内部定义变量的引用。