Rayn Miller
  • 2021年 03月14日
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rust 内存管理

 

计算机是一个数据处理设备，CPU负责处理数据，内存负责装载数据，外设负责输入输出数据。对于一门计算机语言，关注的是存储数据的内存管理。以前的计算机语言在提高效率和提高安全性之间总是有取舍，而rust在这方面却别具一格，鱼和熊掌兼得之

计算机是一个数据处理设备，CPU负责处理数据，内存负责装载数据，外设负责输入输出数据。对于一门计算机语言，关注的是存储数据的内存管理。以前的计算机语言在提高效率和提高安全性之间总是有取舍，而rust在这方面却别具一格，鱼和熊掌兼得之

内存管理的通用概念

物理内存与虚拟内存

早期CPU直接读写物理内存，但是这种方式不能用于多进程。一个进程使用了 0x100 的地址，另一个相同进程也会用到 0x100 的地址，这样就会起冲突。

随着计算机技术的发展，就出现了虚拟内存，它让每个进程都有自己独立的地址空间；整个虚拟内存由多个页（大小相等的块，一段连续的地址）组成。而且虚拟内存的地址空间分成两部分：用户空间和内核空间（linux是3:1，windows是2:2）

栈

  • 栈(stack)
    • 一种后进先出的数据结构
    • 固定的一端为栈底，运动的一端是栈顶
      • 栈顶由ESP(extened stack point)寄存器保存
      • 栈底由EBP(extened base point)寄存器保存
    • 栈向内存地址减小的方向生长
    • 保存函数调用时的数据 stack frame
      • 函数的返回地址与参数
      • 临时变量
        • 非静态局部变量
        • 编译器的临时变量
      • 上下文
  • 在main调用函数foo时
    1. 把返回地址压栈保存
    2. 把main的EBP压栈
    3. 进入当前函数foo的栈帧
    4. 预分配参数和临时变量的空间
    5. 运行foo函数
    6. 执行完毕，变量依次弹出
    7. 直到main函数的EBP
    8. 跳回main函数栈

堆

  • 数据结构的堆
    • 完全二叉树
    • 大顶堆
      • 父节点大于两个子节点
    • 小顶堆
      • 父节点小于两个子节点
  • 内存的堆
    • 长久保存在内存中的值
    • 跨函数保存的内容

内存布局

为了CPU读写内存的高效，要内存对齐。CPU在单位时间能处理的一组比特位称为字，字包含的比特位数称为字长，字节对齐是对齐CPU的字长。

Rust的资源管理

Rust也遵循上面的基本规定，除此之外，Rust在编译期就可以确定内存的分配与释放

变量与函数

常量是用const定义，没有固定内存地址，会被编译器内联到每个使用它的地方

静态变量用static定义，有固定的内存地址。不在栈中也不在堆中，而是与程序代码一并存储在静态存储区（随程序的二进制文件的生成被分配的）

为了保证内存安全，Rust会对变量进行一系列检查：

  • 检查每个变量是否都初始化了
  • 检查if每条分支是否都完成初始化了变量 
    let x: i32;
if true {
  x = 1;
}
println!("{}", x);

    else 分支没有完成对x的初始化

  • 检查循环中是否完成初始化了变量
  • 转移所有权会产生未初始化变量 
    let y = Box::new(5);
let y2 = y;

    y 是未初始化变量 首先 y 是智能指针，没有实现Copy，y2 = y后y交出了所有权

智能指针与RAII

Rust 内存地址的可以用指针来表示

  • 引用
    • &T或&mut T
    • Rust中的普通指针
    • Rust对其安全检查
  • 原始指针
    • *const T或*mut T
    • 不进行安全检查的内存地址
  • 智能指针
    • 结构体
      • 值是内存地址
    • 实现了Drop和Deref
      • Deref重载解引用*
      • Drop析构资源

确定性析构

C++资源管理方式RAII资源获取即初始化，RAII利用析构函数来回收资源。当变量离开作用域后，资源由变量的析构函数drop回收。所以RAII也称作作用域界定的资源管理(Scope-Bound Resource Management, SBRM)

实现了Copy的类型，没有析构函数

内存泄漏与内存安全

  • 未定义内存
    • Rust在编译期可以指出
  • 空指针
    • Safe中，创造不出空指针
      • Rust不支持将整数转为指针
    • Option<T>代表有无情况
  • 悬垂指针
    • 用生命期解决
    • 数组越界检查

内存泄漏是没有对合法的数据进行操作，内存不安全是对不合法的数据进行操作

主动泄漏是因为，Rust通过FFI与外部函数打交道，把数据交由C代码处理，防止Rust调用析构函数引起问题

附录

循环引用

创建一个泛型链表节点

struct Node<T> {
  data: T,
  next: NodePtr<T>,
}

因为NodePtr是指针型，所以应该是Box<Node<T>>，又因为可以为空，所以是Option<Box<Node<T>>>

这样一个循环引用如下：

let mut frist = Box::new(Node {data: 1, next: None});
let mut second = Box::new(Node {data:2, next: None});
frist.next = Some(second);
second.next = Some(frist);

但因为second是指针，没有实现Copy，所以Some(second)会将second这块内存的所有权移到Some()中。

为了能在不同地方都能持有同一块内存，使用Rc共享智能指针，所以NodePtr应该是Option<Rc<Node<T>>>

let frist = Rc::new(Node {data: 1, next: None});
let second = Rc::new(Node {data: 2, next: None});
frist.next = Some(second.clone());
second.next = Some(frist.clone());

但因为frist.next = ...需要frist有改写能力，而Rc<T>是只读共享指针，为了修改内部的数据，必须引入RefCell<T>，这样NodePtr应该是Option<Rc<RefCell<Node<T>>>>

let frist = Rc::new(RefCell::new(
  Node {data: 1, next: None}
));
let second = Rc::new(RefCell::new(
  Node {data: 2, next: None}
));
frist.brrow_mut().next = Some(second.clone());
second.brrow_mut().next = Some(frist.clone());
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