管理堆内存,Rust 是怎么做的?所有权!

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袁承兴
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发布于: 2020 年 07 月 08 日
管理堆内存,Rust是怎么做的?所有权!

本篇谈下Rust语言的核心概念:所有权。



这个概念是支撑Rust在编译期做内存安全检查的核心机制,也正是因为这个特性,我们认为Rust是内存安全底层语言。虽然带GC垃圾回收器的语言虽然也是内存安全的,但由于GC的存在,已与底层无缘。



栈和堆



当说到语言的内存管理时,通常指的是对于堆的管理,而栈的使用都是自动的,通常都不需要程序员特别关心。





栈,是一种数据“后进先出”的存取方式,速度非常快。《Rust权威指南》里对于栈的形容非常贴切:



你可以把栈上的操作想象成堆放盘子:当你需要放置盘子时,你只能将它们放置在栈的顶部,而当你需要取出盘子时,你也只能从顶部取出。



源代码的层面,一般已知大小、声明性的变量都会使用栈上的空间。当然,系统默认给到程序的栈空间都不大,Windows的默认栈只有1M。







堆,可以理解为在编译期无法确定的内存开销,需要在运行期动态申请。堆没有栈高效,通常要向系统申请,系统经过搜索,找到一块足够大的空间,才能锁定交付。堆所能申请到的空间,相比栈大很多,通常是系统的虚拟内存大小的级别,比如32位系统有4G的虚拟内存空间,那么可以申请到2G~3G大小的内存空间。



而能否直接进行堆内存的操作,可以粗略的将编程语言分为两类,底层和高级:



  • 能够直接手工操作的语言,这类语言有着最大的灵活性、执行效率高,多用于系统编程,代表语言:C,C++。



  • 不能直接操作的语言,这类语言通常带有GC垃圾自动回收器,性能会受一定影响,但是开发效率高,多用于业务编程,代表语言:Java,Python。



本篇要介绍的Rust的所有权机制,属于前者,具备了底层语言的灵活性;但同时却能避免手工操作堆内存带来的危险性,具备了高级语言的高效性和安全性,可谓鱼和熊掌可以兼得



接下来,为了解释清楚Rust的堆操作机制,我们先逐一看看各种堆操作方式。



堆管理方法一:纯手工



80后程序员一般都经历过C++98的洗礼,那段时光,关键字new和delete的魔咒就未消停过



下面代码是创建一个100x1的灰度图像所需要的空间,但是对于一个“老练的”程序员,总要把下面情况烂熟于心:



  • 总需要在图像使用后,记得销毁它,否则直接造成内存泄露;

  • 销毁后,原来的指针会变成“野指针”,如果再次使用,或者重复释放被重新分配的内存,都会导致无法预测的错误,于是我们干脆把指针变量设为NULL;

  • 可能有段逻辑还会尝试使用它,最好先判断下它不为NULL,避免抛异常;



上面的实践,如果一个不小心,bug就潜伏进来,而且工程越大越难找。程序员的心智压力可见一斑,这也是为什么我们需要《Effective C++》这本书的原因。



{
unsigned __int8* p_gray = new unsigned __int8[100]();
delete p_gray;
p_gray = NULL;
if (p_gray != NULL)
{
cout << p_gray[0] << endl;
}
}



堆管理方法二:GC垃圾回收



同样一句创建8位字节数组的Java代码,程序员只要“拿来”即可,“还回去”的事则不必亲自费心。那谁操心呢?总得有人操心——JVM,Java虚拟机,更准确的说,是其中的自动垃圾回收器。



自动垃圾回收,因为不是程序员直接的意图指令,所以GC就得靠自己分析垃圾特征,见机行事。自动化内存管理是实现了,但天下没有免费的午餐,回收时所需要的一小段时间,会让整个Java程序进入臭名昭著的“Stop-the-World”状态。



{
byte[] arrayRefVar = new byte[100];
}



堆管理方法三:所有权



Rust作为静态编译型语言,显然没有运行期虚拟机的夹持,那么想要做到内存安全,就得从两个方面下手:



  • 自动化内存管理;

  • 把内存安全检查提前到编译期;



做到第一点并不难,其实RAII(Resource Acquisition Is Initialization)已经在C++有着很广泛的应用了。



RAII的思想是:资源的有效期与持有资源的对象的生命期严格绑定,即由对象的构造函数完成资源的分配,同时由析构函数完成资源的释放。在这种要求下,只要对象能正确的析构,就不会出现资源泄露问题。



C++应用RAII是以模式(Pattern),或者最佳实践这种松散方式来实现的。Rust要想做到第二点,就需要把这种思想集成进语言本身,让编译器能看得懂。



Rust提出了所有权:



  • Rust中的每个值都有一个对应的变量作为它的所有者;

  • 在同一时间内,只有且仅有一个所有者;

  • 当所有者离开自己的作用域时,它持有的值就会被释放掉。



我们用Rust再实现一次创建8位无符号整数数组:



{
let v: Vec<u8> = vec![0;100];
}



和Java一样,只需要一行代码就完成了在堆上的内存申请。但Rust做得更多——在离开作用域的同时,确定性的销毁了堆上的内存,而完全不需要一个拖泥带水的GC。



可谓干净利落,身手不凡



发布于: 2020 年 07 月 08 日 阅读数: 109
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探索开源世界,Rust语言爱好者。 2018.05.01 加入

职业程序员,图像算法工程师,团队教练。

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