07-堆

5.4.2　堆

堆用于处理更复杂的动态的内存分配需求。程序可能在某个时点在堆上分配内存，并且可能在某个其他时点释放，同时这些时点之间不存在严格的边界，就像堆栈内存一样。在堆栈上分配内存时，你能够确定分配和释放内存的时机。此外，堆中的值可能存活得比分配给它的函数更久，稍后也可能会被其他函数清理、释放。在这种情况下，代码无法调用free函数，因此最糟糕的情况可能是根本无法取消分配。

不同语言使用堆内存的方式也不尽相同。在Python等动态语言中，一切都是对象，默认情况下它们都会在堆上分配内存。在C语言中，我们使用手动调用malloc函数的方式在堆上分配内存，而在C++中，我们使用关键字new分配内存。要释放内存，我们需要在C语言中调用free函数，而在C++中调用delete函数。在C++中，为了避免手动调用delete函数，程序员经常使用诸如unique_ptr或shared_ptr这样的智能指针类型。这些智能指针类型具有析构方法，当它们超出内部作用域时，会调用delete函数。这种管理内存的范式被称为RAII原则，并由C++推而广之。

Rust对C++管理堆内存的机制也提供了类似的抽象。Rust在堆上分配内存的唯一方法是通过智能指针类型。Rust中的智能指针类型实现了Drop特征，它指定了如何释放值所使用的内存，并且在语义上定义了类似于C++中析构函数的方法。除非用户编写自定义的智能指针类型，否则你永远不需要在其类型上实现Drop特征。和Drop特征有关的详细内容有专门的部分予以论述。

为了在堆上分配内存，语言依赖于专用的内存分配器，它隐藏了所有底层细节，例如在已对齐的内存上分配内存，维护空闲的内存块以减少系统调用开销，并在分配内存和其他优化时减少碎片的产生。对于编译程序，编译器rustc自身会采用jemalloc内存分配器，而从Rust构建的库和二进制文件会使用系统内存分配器。在Linux上，依赖的将是glibc内存分配器API。jemalloc是一个支持多线程环境的高效内存分配器库，它大大减少了Rust程序的构建时间。虽然编译器采用了jemalloc，但是任何使用Rust构建的应用程序都不会使用它，因为它会增加二进制文件的大小。因此，已编译的二进制文件和库默认情况下都会采用系统内存分配器。

Rust还有一个可插拔的分配器设计，可以使用系统内存分配器，或实现std::alloc模块下的GlobalAlloc特征的自定义内存分配器。

注意

如果你想让自己的程序使用jemalloc软件包，那么可以访问jemalloc官网。

在Rust中，大部分事先不知道尺寸的动态类型都在堆上分配内存。不过这不包括基元类型。例如，在堆上创建一个String对象：

let s = String::new("foo");

String::new会在堆上分配一个Vec类型，并返回对它的引用。此引用会和变量s绑定，该变量在堆栈上分配内存。只要s在作用域范围内，堆中的字符串就会一直存在。当s超出其作用域时，Vec将会从堆中释放，其drop方法将作为Drop实现的一部分进行调用。对于需要在堆上为基元类型分配内存的极个别情况，可以使用Box类型，它是一种泛型智能指针类型。

在下一节中，让我们讨论C语言的一些不足之处，这种语言没有自动内存管理带来的便利。