堆

栈很棒，但它不能解决所有问题。那些在编译时大小未知的数据怎么办呢？集合、字符串和其他动态大小的数据无法完全在栈上分配。这时就需要引入堆了。

堆分配

你可以将堆想象成一大块内存——如果愿意的话，就像一个巨大的数组。每当需要在堆上存储数据时，你就要向一个特殊的程序请求，即分配器，为你保留堆中的一部分。我们将这种交互（以及你保留的内存）称为堆分配。如果分配成功，分配器会给你指向已预留块起始位置的指针。

无自动解除分配

堆的结构与栈大不相同。堆分配不是连续的，它们可以位于堆内的任意位置。

+---+---+---+---+---+---+-...-+-...-+---+---+---+---+---+---+---+
|  Allocation 1 | Free  | ... | ... |  Allocation N |    Free   |
+---+---+---+---+---+---+ ... + ... +---+---+---+---+---+---+---+

跟踪堆的哪些部分正在使用，哪些部分是空闲的是分配器的工作。然而，分配器不会自动释放你分配的内存：你需要主动去做这件事，再次调用分配器来释放不再需要的内存。

性能

堆的灵活性是有代价的：堆分配比栈分配慢。涉及更多的管理操作！如果你阅读关于性能优化的文章，往往会建议你尽量减少堆分配，并尽可能优先使用栈上分配的数据。

String的内存布局

当你创建一个类型为String的局部变量时，Rust被迫在堆上分配¹：它事先不知道你要放入多少文本，因此无法在栈上预留正确大小的空间。但String并非完全堆分配，它也在栈上保留了一些数据。具体来说：

• 指向你在堆上预留区域的指针。
• 字符串的长度，即字符串中有多少字节。
• 字符串的容量，即在堆上预留了多少字节。

让我们通过一个例子更好地理解这一点：

#![allow(unused)]
fn main() {
let mut s = String::with_capacity(5);
}

如果运行这段代码，内存将如下布局：

      +---------+--------+----------+
Stack | pointer | length | capacity | 
      |  |      |   0    |    5     |
      +--|------+--------+----------+
         |
         |
         v
       +---+---+---+---+---+
Heap:  | ? | ? | ? | ? | ? |
       +---+---+---+---+---+

我们要求一个可以容纳最多5字节文本的String。String::with_capacity去到分配器那里请求5字节的堆内存。分配器返回指向该内存块起始位置的指针。不过，String是空的。在栈上，我们通过区分长度和容量来记录这个信息：这个String最多可以容纳5字节，但目前它实际持有0字节的文本。

如果你向String中推送一些文本，情况就会改变：

#![allow(unused)]
fn main() {
s.push_str("Hey");
}

      +---------+--------+----------+
Stack | pointer | length | capacity |
      |    |    |   3    |    5     |
      +----|----+--------+----------+
           |       
           |       
           v       
       +---+---+---+---+---+
Heap:  | H | e | y | ? | ? |
       +---+---+---+---+---+

s现在持有3字节的文本。它的长度更新为3，但容量保持为5。堆上的5个字节中有3个用于存储字符嘿。

usize

我们在栈上存储指针、长度和容量需要多少空间？这取决于你运行机器的架构。

机器上的每个内存位置都有一个地址，通常表示为无符号整数。根据地址空间的最大大小（即你的机器可以寻址多少内存），这个整数可以有不同的大小。大多数现代机器使用32位或64位地址空间。

Rust通过提供usize类型抽象了这些与架构相关的细节：一个无符号整数，其大小与在你的机器上所需寻址内存的字节数相同。在32位机器上，usize等同于u32。在64位机器上，它匹配u64。

容量、长度和指针在Rust中都表示为usize²。

堆上没有std::mem::size_of

std::mem::size_of返回类型在栈上会占用的空间量，这也被称为类型的大小。

那么String在堆上管理的内存缓冲区呢？难道那不是String大小的一部分吗？

不！那个堆分配是String正在管理的一个资源。编译器并不将其视为String类型的一部分。

std::mem::size_of不知道（也不关心）类型可能通过指针管理或引用的额外堆分配数据，如String的情况，因此它不跟踪其大小。

不幸的是，没有std::mem::size_of的等价物来衡量某个值在运行时分配的堆内存量。某些类型可能提供了检查其堆使用情况的方法（例如String的capacity方法），但在Rust中没有通用的“API”来检索运行时堆使用情况。然而，你可以使用内存分析工具（例如DHAT或自定义分配器）来检查程序的堆使用情况。

参考

• 本节练习位于 exercises/03_ticket_v1/09_heap