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本文详细描述了Rust内存分布的基础知识，并且配上了不少图片帮助理解。

(相关资料图)

作者 | 吴超(律霜)

来源 | 阿里开发者公众号

Rust作为一门学习曲线十分陡峭的语言，掌握其核心基础数据结构的内存分布对学习Rust会有很大的帮助，即使对于已经熟悉Rust的同学，深入数据结构分布也能帮助到调优Rust程序。

接下来，我会由浅入深仔细介绍Rust的各个数据结构在内存中的分布情况，帮助大家学习Rust。

先决条件 Prerequisite

在开始介绍之前，我们先做这个几个假设，来更好地帮助后续文章的展开。

我们本文的机器预设是32位的（主要为了画图可以精简一点），所有和位相关的数据结构均会用上标标记（即这些数据结构占用的是1 machine word）。例如：usize32 数据结构基本单位示图:

蓝色的框框代表1个byte，绿色的框框pointer下的（1|2|3|4）代表pointer在32位机器上rust是4个byte，他们整体被框在绿色框框中代表一个pointer。

1 基本类型

不用害怕，让我们把一只小脚试探性地迈入Rust的大门，先看看基础类型的内存分布吧。

这些数据结构Rust分配的时候都是在栈上的。

1.1 Stack栈 vs Heap堆

因为本文会涉及到Rust中栈和堆分配，本小章先来简单讲一下栈和堆。

我们只提炼一些最基本的区别概要，更多的细节可以看这篇文章有比较好的解释。

栈特点：

分配快 大小受限

堆特点：

分配慢 大小不受限

2 元组 Tuple

让我们先从比较基础的Rust数据结构Tuple看起。

let a:(char, u8, i32) = ("a", 7, 354);size_of::<(char, u8, i32)>(); // 打印结果 12align_of::<(char, u8, i32)>(); // 打印结果 4

该元组由三个元素构成——char、u8和i32，由1 基本类型中可知char占4 bytes，u8占1 byte， i32占4bytes，那么初步计算出来这个tuple占用的总内存应为4+1+4 = 9 bytes。接着，Rust会选择Tuple中对齐值最大的元素为a该元组的对齐值，由此上例alignment是4。有了整体对齐值，Rust会在内存中加入一段填充(padding)来让整体内存占用是alignment的整数倍，本例中加在u8与i32中间是为了保障i32自身的内存对齐。

由于Rust有多种数据排布风格（默认的Rust风格，还有C语言风格，primitive和transparent风格），在Rust风格中，Rust可以对元组中的元素做任意重排，也包括padding的位置，因而图中的排列只是一种可能，也许i32和char的位置在Rust中会进行互换，Rust是根据其优化算法做出其认为最优的排序，对最终排序结果并没有统一规则。

上图为该tuple的内存分布图。

3 引用 Reference

引用 reference 是Rust中的一个重要概念，相关规则也是支撑了Rust内存安全的重要支柱。我们来看下面的例子。

let a: i8 = 6;let b : &i8 = &a;

a 是一个i8，b是一个指向a的reference，我们可以看下他俩的内存分布。

首先，Rust会在栈上分配一个大小为1byte的i8存储a，接着会在内存另外一个空间（不一定和a连续）分配b，b中存储的内存空间会指向a所在的内存空间，同时b的内存占用大小即pointer的大小。

需要注意的是，&T和&mut T在内存分布上规则一致，他们的区别是在使用方式和编译器处理方式上。

4 Array数租 和 Vector动态数组

接下来我们来看看Rust的数组Array和动态数组Vector的内存分布，以下面的数组和动态数组为例。

let a: [i8; 3] = [1, 2, 3];let b: Vec= vec![1, 2, 3];

数组Array是固定大小的，所以在创建的时候都指定好了长度；动态数组Vector，由其名字就可以知道他是可以自由伸缩的，那么我们来看看Rust是怎么在内存上存储这两位数据结构的。

对于Array a，由于他固定大小为3个i8，Rust即在栈上为其分配了3 * 1 byte个内存。

对于Vector b就有点特殊啦，他会由如下三个部分组成：

pointer : pointer b会指向vector b在堆上的实际数据（目前是1, 2, 3 共3 * 1 byte）， cap（图中上标32代表这个值和机器位数有关，最后复习一次哦）: cap代表最多多少个T(本例中T是i8）的内存可以在堆上让这个动态数组使用，默认大小为创建时的T个数，可根据使用需求自动扩容，但每次扩容时会带来reallocate影响到性能。 len (1 machine word)，代表目前有多少个T（本例中T是i8）的内存真实被该动态数组使用。

以上即可看到数组和动态数组由于在“动态”这个特点上的不同，出现的内存分布差异啦。

4.1 Slice 数组切片

接下来，我们通过Array和Vector来看下Rust中切片的内存分布实现。

假设我们想获取到上面例子中a和b两个Array和Vector的前两个元素。

let slice_1: [i32] = a[0..2];let slice_2: [i32] = b[0..2];

然而，对于[i32]，Rust没法在编译时明确这个变量需要多少内存，因而也没法在栈上分配内存，因而上例中的slice_1和slice_2实际上会编译失败。这样的变量称之为dynamically sized type，后续会讲到string slice和trait object也属于这个范畴。

因而，通常我们使用一个reference来指向一个Slice切片，让我们看下例

let slice_1: &[i32] = &a[0..2]let slice_2: &[i32] = &b[0..2]

当reference指向dynamically sized type时，Rust实际会使用到一个胖指针（fat pointer），其中包含：

pointer (1 machine word)： 指向实际被切片的数据。 length (1 machine word): 切片长度，即有多少个T(本例中T为i32)。

我们可以看下上述例子的内存分布图。

5 String, str, &str

接下来让我们来看下String, str 和&str的内存分布。以一个例子开始吧。

let s1: String = String::from(“HELLO”);let s2: &str = “ЗдP”;  // д ->Russian Languagelet s3: &str = &s1[1..3];

首先，s1是一个String，String实质上就是Vec的一个包装，其中也是在栈上有一个指针 + cap( 1 machine word ) + len ( 1 machine word )，指针指向了该String实际在堆上的值。String是保证UTF-8兼容的。

如果我们直接在变量中存了一个字符串字面值(string literal)，例如s2，那么这个变量会是一个指向string slice的指针。这个string数据不会存储在堆heap上，而是会直接存在编译后的二进制中，同时他们具有static生命周期，即直到程序结束前都不会被释放。 如同前面讲的slice以后，&str也同样是个胖指针，同时包含了实际数据的内存地址和数据长度(一共2 machine words）。这里的例子里用了一个特殊字符д，由于UTF-8是一种可变长的编码方式，这里可以看到д就用了2个byte来表达。

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(责任编辑：黄俊飞)