内存、函数、堆和栈

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：
let s = "hello world".to_string();

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。
看下图，更直观一些：
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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。

可以再看看这张图辅助理解：
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堆

栈虽然使用起来很高效，但它的局限也显而易见。当我们需要动态大小的内存时，只能使用堆，比如可变长度的数组、列表、哈希表、字典，它们都分配在堆上。
堆上分配内存时，一般都会预留一些空间，这是最佳实践。

比如你创建一个列表，并往里添加两个值：
let mut arr = Vec::new();
arr.push(1);
arr.push(2);
这个列表实际预留的大小是 4，并不等于其长度 2。这是因为堆上内存分配会使用 libc 提供的 malloc() 函数，其内部会请求操作系统的系统调用，来分配内存。系统调用的代价是昂贵的，所以我们要避免频繁地 malloc()。
对上面的代码来说，如果我们需要多少就分配多少，那列表每次新增值，都要新分配一大块的内存，先拷贝已有数据，再把新的值添加进去，最后释放旧的内存，这样效率很低。所以在堆内存分配时，预留的空间大小 4 会大于需要的实际大小 2;
除了动态大小的内存需要被分配到堆上外，动态生命周期的内存也需要分配到堆上。
上文中我们讲到，栈上的内存在函数调用结束之后，所使用的帧被回收，相关变量对应的内存也都被回收待用。所以栈上内存的生命周期是不受开发者控制的，并且局限在当前调用栈。
而堆上分配出来的每一块内存需要显式地释放，这就使堆上内存有更加灵活的生命周期，可以在不同的调用栈之间共享数据。如下图所示：
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放堆上的问题然而，堆内存的这种灵活性也给内存管理带来很多挑战。如果手工管理堆内存的话，堆上内存分配后忘记释放，就会造成内存泄漏。一旦有内存泄漏，程序运行得越久，就越吃内存，最终会因为占满内存而被操作系统终止运行。如果堆上内存被多个线程的调用栈引用，该内存的改动要特别小心，需要加锁以独占访问，来避免潜在的问题。比如说，一个线程在遍历列表，而另一个线程在释放列表中的某一项，就可能访问野指针，导致堆越界（heap out of bounds）。而堆越界是第一大内存安全问题。

如果堆上内存被释放，但栈上指向堆上内存的相应指针没有被清空，就有可能发生使用已释放内存（use after free）的情况，程序轻则崩溃，重则隐含安全隐患。根据微软安全反应中心（MSRC）的研究，这是第二大内存安全问题。
GC、ARC 如何解决为了避免堆内存手动管理造成的这些问题，以 Java 为首的一系列编程语言，采用了追踪式垃圾回收（Tracing GC）的方法，来自动管理堆内存。这种方式通过定期标记（mark）找出不再被引用的对象，然后将其清理（sweep）掉，来自动管理内存，减轻开发者的负担。而 ObjC 和 Swift 则走了另一条路：自动引用计数（Automatic Reference Counting）。在编译时，它为每个函数插入 retain/release 语句来自动维护堆上对象的引用计数，当引用计数为零的时候，release 语句就释放对象。

小结

对于存入栈上的值，它的大小在编译期就需要确定。栈上存储的变量生命周期在当前调用栈的作用域内，无法跨调用栈引用。
堆可以存入大小未知或者动态伸缩的数据类型。堆上存储的变量，其生命周期从分配后开始，一直到释放时才结束，因此堆上的变量允许在多个调用栈之间引用。但也导致堆变量的管理非常复杂，手工管理会引发很多内存安全性问题，而自动管理，无论是 GC 还是 ARC，都有性能损耗和其它问题。
一句话对比总结就是：栈上存放的数据是静态的，固定大小，固定生命周期；堆上存放的数据是动态的，不固定大小，不固定生命周期。