01｜内存：值放堆上还是放栈上，这是一个问题

unravel2025
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RustPlayground HelloWorld 代码

内存

// 1. “hello world” 作为一个字符串常量（string literal），在编译时被存入可执行文件的 .RODATA 段（GCC）或者 .RDATA 段（VC++），然后在程序加载时，获得一个固定的内存地址
// 2. 当执行 “hello world”.to_string() 时，在堆上，一块新的内存被分配出来，并把 “hello world” 逐个字节拷贝过去。
// 3. 当我们把堆上的数据赋值给 s 时，s 作为分配在栈上的一个变量.使用了三个 word：第一个表示指针、第二个表示字符串的当前长度（11）、第三个表示这片内存的总容量（11）。在 64 位系统下，三个 word 是 24 个字节
let s = "hello world".to_string();
println!("addr of ss: {:p}, s: {:p}, len: {}, capacity: {}, size: {}", 
        &"hello world", &s, s.len(), s.capacity(), std::mem::size_of_val(&s));
// addr of ss: 0x5626bde6b1f0, s: 0x7ffc83481168, len: 11, capacity: 11, size: 24

image.png

栈

栈是程序运行的基础。每当一个函数被调用时，一块连续的内存就会在栈顶被分配出来，这块内存被称为帧（frame） 在编译时，一切无法确定大小或者大小可以改变的数据，都无法安全地放在栈上，最好放在堆上

  1. 栈是自顶向下增长的，一个程序的调用栈最底部，除去入口帧（entry frame），就是 main() 函数对应的帧，而随着 main() 函数一层层调用，栈会一层层扩展；调用结束，栈又会一层层回溯，把内存释放回去
  2. 在调用的过程中，一个新的帧会分配足够的空间存储寄存器的上下文。在函数里使用到的通用寄存器会在栈保存一个副本，当这个函数调用结束，通过副本，可以恢复出原本的寄存器的上下文，就像什么都没有经历一样。此外，函数所需要使用到的局部变量，也都会在帧分配的时候被预留出来
  3. 函数编译并优化代码的最小单元
  4. 栈空间的调整是通过移动栈指针的方式来进行的

总结

对于存入栈上的值，它的大小在编译期就需要确定。栈上存储的变量生命周期在当前调用栈的作用域内，无法跨调用栈引用

image.png

  1. FP 是 frame pointer，指向栈帧的起始位置。
  2. SP（stack pointer）指向栈顶，它会随着栈的操作而变化。
  3. 在开一个新的栈帧的时候，在栈顶会压入 callee 函数的参数，caller 返回地址，以及 caller FP

堆

堆上分配内存时，一般都会预留一些空间，这是最佳实践

分配在堆内存上的数据： 1、动态大小的内存； 2、动态生命周期的内存；

  1. 堆上内存分配会使用 libc 提供的 malloc() 函数，其内部会请求操作系统的系统调用，来分配内存。系统调用的代价是昂贵的，所以要避免频繁地 malloc()。

image.png 堆上的内存有一些问题

  1. 内存泄漏
  2. 堆越界（多线程访问共享资源）
  3. 野指针问题

总结

堆可以存入大小未知或者动态伸缩的数据类型

堆栈总结

栈上存放的数据是静态的，固定大小，固定生命周期；

堆上存放的数据是动态的，不固定大小，不固定生命周期

新鲜知识点

数据的存放方式会严重影响并发安全

微软安全反应中心（MSRC）的研究

追踪式垃圾回收

通过定期标记（mark）找出不再被引用的对象，然后将其清理（sweep）掉，来自动管理内存

GC效率高，但是会存在STW(Stop The World)问题。但Erlang VM把 GC 的粒度下放到每个 process，最大程度解决了 STW 的问题

自动引用计数内存管理

在编译时，它为每个函数插入 retain/release 语句来自动维护堆上对象的引用计数，当引用计数为零的时候，release 语句就释放对象

Golang STW 从1次10ms优化到两次500us

精选问答

  1. "{:p}"输出某个变量的地址，是这个变量自身结构的地址，还是变量所指向值的地址呢

    a. String 在 Rust 中是一个智能指针，它内部是一个结构体，放在栈上，结构体中有指针指向堆内存。所以 &s 指向一个栈上的地址

    b. {:p} 是通过 Pointer trait 实现。请移步 Pointer Trait 及地址验证

static MAX: u32 = 0;

fn foo() {}

fn main() {
    let hello = "hello world".to_string();
    let data = Box::new(1);

    // string literals 指向 RODATA 地址
    println!("RODATA: {:p}", "hello world!");
    // static 变量在 DATA section
    println!("DATA (static var): {:p}", &MAX);
    // function 在 TEXT
    println!("TEXT (function): {:p}", foo as *const ());
    // String 结构体分配在栈上，所以其引用指向一个栈地址
    println!("STACK (&hello): {:p}", &hello);
    // 需要通过解引用获取其堆上数据，然后取其引用
    println!("HEAP (&*hello): {:p}", &*hello);
    // Box 实现了 Pointer trait 无需额外解引用
    println!("HEAP (box impl Pointer) {:p} {:p}", data, &*data);
}
/*
RODATA: 0x55c793ad915c
DATA (static var): 0x55c793ad9144
TEXT (function): 0x55c793aa3fa0
STACK (&hello): 0x7ffd0b1eef78
HEAP (&*hello): 0x55c793f4e9d0
HEAP (box impl Pointer) 0x55c793f4e9f0 0x55c793f4e9f0
*/

  1. 如果有一个数据结构需要在多个线程中访问，可以把它放在栈上吗？为什么？

    a. 不能，栈上的数据会随着当前线程的函数调用栈而回收，多个线程访问须在堆上开辟。

    b. 在多线程场景下，每个线程的生命周期是不固定的，无法在编译期知道谁先结束谁后结束，所以不能把属于某个线程 A 调用栈上的内存共享给线程 B，因为 A 可能先于 B 结束。这时候，只能使用堆内存。这里有个例外，如果结束的顺序是确定的，那么可以共享，比如 scoped thread；

  2. 可以使用指针引用栈上的某个变量吗？如果可以，在什么情况下可以这么做？

    a. 可以，在当前函数调用栈中，可以新建变量在栈上开辟，顺便分配一个指针指向它，但是注意，这个指针的生命周期只能在当前栈帧中，不能作为返回值给别人用。

    b. 同一个调用栈下，main() 调用 hello()，再调用 world()，编译器很清楚，world() 会先结束，之后是 hello()，最后是 main()。所以在 world() 下用指针引用 hello() 或者 main() 内部的变量没有问题，这个指针必然先于它指向的值结束。

  3. 怎么理解 在编译时，一切无法确定大小或者大小可以改变的数据，都无法安全地放在栈上，最好放在堆上

    a. 可变参数的函数是一个很好的例子。对于 Java，可变参数 String... a 是 String[] 的语法糖，它是放在堆上的。在 C 语言里，这个行为是未定义的，它只是定义了你可以通过 var_start / var_end 来获得可变参数的起始位置，以及最终结束可变参数的访问。但 gcc 的实现将可变参数放在栈上（估计是为了性能)

    b. alloca() 可以在栈上分配动态大小的内存，然而使用它需要非常小心，按 linux 的文档(man7.org/linux/man-p… longjmp 使用。alloca() 如果分配太大的数据，超过栈容量会导致程序崩溃，即使你分配很小的数据，但如果使用 alloca() 的函数被优化导致 inline，又恰巧出现在大的 for/while 循环中，也可能会导致崩溃

    所以，这两种在栈上分配可变大小的数据，是不安全的

  4. 可执行文件加载string literal 到内存，如果不同的两个函数，foo() 和bar()中，各自都用到了一个string literal “hello”, 那么编译器从从可执行文件.rodata 中加载内存，是加载一份”hello”，还是两份？

    是一份。它们指向 .rodata 中同样的地址

  5. 如何确定当前开发环境里调用栈的最大大小

    在 *nix 下，你可以通过 ulimit -s 来查看和修改。linux 和 osx 默认是 8M

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