内存管理基础

• 完全由开发者手动控制管理：C, C++, Pascal

• 运行时全自动管理：Javascript, Java, Python, Go, Haskell

程序完全控制 + 强大安全的编译器保证内存管理。并且引入了一个比较新颖的词 所有权(ownership)

Stack 和 Heap

• Stack ：连续的内存区域，local 运行
• 每个值在编译期间就确定了固定的内存大小
• 非常快速，执行的时候只需要移动栈指针，事实底层函数的执行都会跑在寄存器上，所以更快，如果全部都运行在栈上，没有内存寻址。那么运行速度就是最快的。
• 轻松管理内存，事实上完全有函数自身完成，所以函数内部的变量，也叫 auto 变量。意思就是自动创建，自动弹出。不需要程序员干预。
• 强大的内存局部性调用，局部性原理，表示，一段相关的程序，每条指令或者值，在内存中相距不会太远，这样来回切换就很快。

• Heap: 存储在函数外部的值
• 堆上的值，大小不固定，可以在运行时动态变化
• 堆会比栈慢一些，通过一些手段，使得堆不会比栈慢很多。
• 无法保证内存局部性(对比栈)。

Rust 堆栈示例代码：

fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
}

 Stack                             Heap
.- - - - - - - - - - - - - -.     .- - - - - - - - - - - - - - - -.
:                           :     :                               :
:    s1                     :     :                               :
:   +-----------+-------+   :     :   +----+----+----+----+----+  :
:   | ptr       |   o---+---+-----+-->| H  | e  | l  | l  | o  |  :
:   | len       |     5 |   :     :   +----+----+----+----+----+  :
:   | capacity  |     5 |   :     :                               :
:   +-----------+-------+   :     :                               :
:                           :     `- - - - - - - - - - - - - - - -'
`- - - - - - - - - - - - - -'

fn main() {
    let mut s1 = String::from("Hello");
    s1.push(' ');
    s1.push_str("world");
    unsafe {
        let (ptr, capacity, len): (usize, usize, usize) = std::mem::transmute(s1);
        println!("ptr = {ptr:#x}, len = {len}, capacity = {capacity}");
    }
}

手动管理内存

void foo(size_t n) {
    // malloc 开辟一块内存(在堆上)
    int* int_array = malloc(n * sizeof(int));
    // 释放内存
    free(int_array);
}

基于作用域的内存管理

void say_hello(std::unique_ptr<Person> person) {
  std::cout << "Hello " << person->name << std::endl;
}

• std::unique_ptr 对象被分配在栈上，但是指向了堆空间的一块内存。

• say_hello 结束的时候 std::unique_ptr 的析构函数(destructor) 会被执行。

• 执行析构函数，内部会释放(free)堆上的内存。

自动内存管理 (Automatic Memory Management)

• 编程人员不需要显式的调 allocate 或者 deallocate

• GC(garbage collector) 会自动找到不需要的内存，并释放它。

void sayHello(Person person) {
  System.out.println("Hello " + person.getName());
}

• 标记清除 ： Javascript，Golang，Java 使用

• 自动引用计数 ：Objective-C 使用

Rust 中的内存管理

• 像 Java 一样安全的内存管理，但是没有 GC

• 像 C++ 一样的的 Scoped-based 内存管理，但是编译器会更加强势的要求你遵守规范

• Rust 用户可以根据情况选择正确的抽象，有些甚至像 C 一样在运行时没有成本。