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栈(Stack)与堆(Heap)

栈和堆是编程语言最核心的数据结构,但是在很多语言中,你并不需要深入了解栈与堆。 但对于 Rust 这样的系统编程语言,值是位于栈上还是堆上非常重要,因为这会影响程序的行为和性能。

栈和堆的核心目标就是为程序在运行时提供可供使用的内存空间。

栈按照顺序存储值并以相反顺序取出值,这也被称作后进先出。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,再从顶部拿走。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,移出数据则叫做出栈

因为上述的实现方式,栈中的所有数据都必须占用已知且固定大小的内存空间,假设数据大小是未知的,那么在取出数据时,你将无法取到你想要的数据。

与栈不同,对于大小未知或者可能变化的数据,我们需要将它存储在堆上。

当向堆上放入数据时,需要请求一定大小的内存空间。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,该过程被称为在堆上分配内存,有时简称为 “分配”(allocating)。

接着,该指针会被推入中,因为指针的大小是已知且固定的,在后续使用过程中,你将通过栈中的指针,来获取数据在堆上的实际内存位置,进而访问该数据。

由上可知,堆是一种缺乏组织的数据结构。想象一下去餐馆就座吃饭:进入餐馆,告知服务员有几个人,然后服务员找到一个够大的空桌子(堆上分配的内存空间)并领你们过去。如果有人来迟了,他们也可以通过桌号(栈上的指针)来找到你们坐在哪。

性能区别

在栈上分配内存比在堆上分配内存要快,因为入栈时操作系统无需进行函数调用(或更慢的系统调用)来分配新的空间,只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下,在堆上分配内存则需要更多的工作,这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间,接着做一些记录为下一次分配做准备,如果当前进程分配的内存页不足时,还需要进行系统调用来申请更多内存。 因此,处理器在栈上分配数据会比在堆上分配数据更加高效。

所有权与堆栈

当你的代码调用一个函数时,传递给函数的参数(包括可能指向堆上数据的指针和函数的局部变量)依次被压入栈中,当函数调用结束时,这些值将被从栈中按照相反的顺序依次移除。

因为堆上的数据缺乏组织,因此跟踪这些数据何时分配和释放是非常重要的,否则堆上的数据将产生内存泄漏 —— 这些数据将永远无法被回收。这就是 Rust 所有权系统为我们提供的强大保障。

对于其他很多编程语言,你确实无需理解堆栈的原理,但是在 Rust 中,明白堆栈的原理,对于我们理解所有权的工作原理会有很大的帮助


更新时间 2025-10-10