面试题：Rust 中栈内存和堆内存分配的区别

Question

在 Rust 编程中，详细阐述栈内存分配和堆内存分配的特点、适用场景以及它们之间的区别。请举例说明何时数据会分配到栈上，何时会分配到堆上。

Answer 1

栈内存分配

1. 特点：
   • 分配和释放速度快。栈的操作类似数据结构中的栈，遵循后进先出（LIFO）原则。当一个函数调用时，其局部变量会被快速分配到栈上，函数结束时，这些变量自动从栈上释放。
   • 内存空间连续。栈上的数据在内存中是连续存储的，这使得对栈数据的访问效率较高，尤其适合频繁的读写操作。
   • 大小固定。每个线程都有一个固定大小的栈空间，在程序运行前通常就确定了。如果栈上分配的数据过多，超过了栈的大小，会导致栈溢出错误。
2. 适用场景：
   • 函数的局部变量，特别是生命周期较短的变量。例如在一个简单的计算函数中，用于临时存储中间计算结果的变量。
   • 小型且已知大小的数据类型，如基本数据类型（i32、f64、bool等）和固定大小的结构体。因为这些数据大小在编译时就确定了，适合在栈上分配。
3. 示例：

fn main() {
    let num: i32 = 10; // i32类型是固定大小的基本数据类型，分配在栈上
    let point = (1.0, 2.0); // 固定大小的元组，分配在栈上
    println!("num: {}, point: {:?}", num, point);
}

堆内存分配

1. 特点：
   • 分配和释放相对较慢。堆内存的分配需要在堆空间中寻找合适的空闲块，释放时可能还需要进行内存碎片整理等操作。
   • 内存空间不连续。堆上的数据在内存中分散存储，通过指针来访问。这意味着访问堆数据需要额外的间接寻址操作，增加了访问开销。
   • 大小灵活。堆内存的大小只受限于系统的可用内存，不受线程栈大小的限制，适合存储大小在编译时无法确定的数据。
2. 适用场景：
   • 动态大小的数据结构，如Vec<T>（动态数组）、String等。这些数据结构的大小在运行时才确定，需要在堆上分配内存以适应动态变化。
   • 大型数据结构或对象，特别是当栈空间不足以容纳它们时。例如，一个包含大量元素的自定义结构体，其大小可能超过栈的限制，需要在堆上分配。
3. 示例：

fn main() {
    let mut vec: Vec<i32> = Vec::new(); // Vec<T>是动态大小的数据结构，分配在堆上
    vec.push(1);
    vec.push(2);
    let s = String::from("hello"); // String类型是动态字符串，分配在堆上
    println!("vec: {:?}, s: {}", vec, s);
}

两者区别

1. 分配速度：栈内存分配速度快，因为它遵循简单的后进先出原则，无需复杂的内存查找和管理；而堆内存分配速度慢，需要在堆空间中搜索合适的空闲块。
2. 内存布局：栈上数据内存连续，访问效率高；堆上数据内存不连续，通过指针间接访问，访问效率相对较低。
3. 大小限制：栈空间大小固定，由线程栈大小决定；堆空间大小只受系统可用内存限制，更适合动态大小的数据。
4. 生命周期管理：栈上数据随着函数调用结束自动释放；堆上数据需要手动管理生命周期（在Rust中通过所有权系统自动管理内存释放，避免了手动释放的复杂性和内存泄漏风险）。