01 | 内存：值放堆上还是放栈上，这是一个问题
你好，我是陈天。今天我们打卡Rust学习的第一讲。 你是不是已经迫不及待想要了解Rust了，但是别着急，我们不会按常规直接开始介绍语法，而会先来回顾那些你平时认为非常基础的知识，比如说内存、函数。 提到基础知识，你是不是已经有点提不起兴趣了，这些东西我都知道，何必浪费时间再学一次呢？其实不然，这些年我接触过的资深工程师里，基础知识没学透，工作多年了，还得回来补课的大有人在。 以最基础的内存为例，很多人其实并没有搞懂什么时候数据应该放在栈上，什么时候应该在堆上，直到工作中实际出现问题了，才意识到数据的存放方式居然会严重影响并发安全，无奈回头重新补基础，时间精力的耗费都很大。 其实作为开发者，我们一辈子会经历很多工具、框架和语言，但是这些东西无论怎么变，底层逻辑都是不变的。 所以今天我们得回头重新思考，编程中那些耳熟能详却又似懂非懂的基础概念，搞清楚底层逻辑。而且这些概念，对我们后面学习和理解 Rust 中的知识点非常重要，之后，我们也会根据需要再穿插深入讲解。 代码中最基本的概念是变量和值，而存放它们的地方是内存，所以我们就从内存开始。
内存
我们的程序无时无刻不在跟内存打交道。在下面这个把 “hello world!” 赋值给 s 的简单语句中，就跟只读数据段（RODATA）、堆、栈分别有深度交互： 你可以使用 Rust playground 里这个代码片段 感受一下字符串的内存使用情况。 首先，“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。 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。 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，它需要知道堆上内存的地址，另外由于堆上的数据大小不确定且可以增长，我们还需要知道它的长度以及它现在有多大。 最终，为了表述这个字符串，我们使用了三个 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。 你也可以看下图，更直观一些： 
刚才提到字符串的内容在堆上，而指向字符串的指针等信息在栈上，现在就是检验你内存基础知识是否扎实的时候了：数据什么时候可以放在栈上，什么时候需要放在堆上呢？ 这个问题，很多使用自动内存管理语言比如 Java/Python 的开发者，可能有一些模糊的印象或者规则：
- 基本类型（primitive type）存储在栈上，对象存储在堆上；
- 少量数据存储在栈上，大量的数据存储在堆上。 这些虽然对，但并没有抓到实质。如果你在工作中只背规则套公式，一遇到特殊情况就容易懵，但是如果明白公式背后的推导逻辑，即使忘了，也很快能通过简单思考找到答案，所以接下来我们深挖堆和栈的设计原理，看看它们到底是如何工作的。
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）。 我们知道，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。 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。 整个过程你可以再看看这张图辅助理解：- 
那一个函数运行时，怎么确定究竟需要多大的帧呢？ 这要归功于编译器。在编译并优化代码的时候，一个函数就是一个最小的编译单元。 在这个函数里，编译器得知道要用到哪些寄存器、栈上要放哪些局部变量，而这些都要在编译时确定。所以编译器就需要明确每个局部变量的大小，以便于预留空间。 这下我们就明白了：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。比如一个函数，参数是字符串： 字符串的数据结构，在编译时大小不确定，运行时执行到具体的代码才知道大小。比如上面的代码，“Lindsey” 和 “Rosie” 的长度不一样，say_name() 函数只有在运行的时候，才知道参数的具体的长度。 所以，我们无法把字符串本身放在栈上，只能先将其放在堆上，然后在栈上分配对应的指针，引用堆上的内存。
放栈上的问题
从刚才的图中你也可以直观看到，栈上的内存分配是非常高效的。只需要改动栈指针（stack pointer），就可以预留相应的空间；把栈指针改动回来，预留的空间又会被释放掉。预留和释放只是动动寄存器，不涉及额外计算、不涉及系统调用，因而效率很高。 所以理论上说，只要可能，我们应该把变量分配到栈上，这样可以达到更好的运行速度。 那为什么在实际工作中，我们又要避免把大量的数据分配在栈上呢？ 这主要是考虑到调用栈的大小，避免栈溢出（stack overflow）。一旦当前程序的调用栈超出了系统允许的最大栈空间，无法创建新的帧，来运行下一个要执行的函数，就会发生栈溢出，这时程序会被系统终止，产生崩溃信息。 过大的栈内存分配是导致栈溢出的原因之一，更广为人知的原因是递归函数没有妥善终止。一个递归函数会不断调用自己，每次调用都会形成一个新的帧，如果递归函数无法终止，最终就会导致栈溢出。