堆栈

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。栈以放入值的顺序存储值并以相反顺序取出值。这也被称作后进先出（last in, first out）。想象一下一叠盘子：当增加更多盘子时，把它们放在盘子堆的顶部，当需要盘子时，也从顶部拿走。不能从中间也不能从底部增加或拿走盘子！增加数据叫做 进栈（pushing onto the stack），而移出数据叫做出栈（popping off the stack）。

栈中的所有数据都必须占用已知且固定的大小。在编译时大小未知或大小可能变化的数据，要改为存储在堆上。堆是缺乏组织的：当向堆放入数据时，你要请求一定大小的空间。操作系统在堆的某处找到一块足够大的空位，把它标记为已使用，并返回一个表示该位置地址的 指针（pointer）。这个过程称作 在堆上分配内存（allocating on the heap），有时简称为分配（allocating）。将数据推入栈中并不被认为是分配。因为指针的大小是已知并且固定的，你可以将指针存储在栈上，不过当需要实际数据时，必须访问指针。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。

在很多语言中，你并不需要经常考虑到栈与堆。不过在像 Rust 这样的系统编程语言中，值是位于栈上还是堆上在更大程度上影响了语言的行为以及为何必须做出这样的抉择。

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。